漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制
柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制
．
国 家 自然 科学 基 金 资 助项 目（ 号 ： ０ ７ ０ ０ 编 １６ ２ ４ ） 收稿 日期 ： ０ ９ １ － ６ 修 改稿 收 到 日期 ：０ ９１ — １ ２ ０ — １２ ； ２ ０ — ２ ３
４２ ８
振
动、 测
中 图分 类 号 ＴＰ２ １ ０３ ３ ７ ＴＨｌ ３ １ ４ １ ． １．
间机 械 臂系统 结构 见 图 １ 。
引 言
空 间 机 械 臂 的 研 究 受 到 了研 究 人 员 的广 泛 重
视［ 。 １ 由于所处 空间环 境 的特殊性 ， 间机 械臂 与载 ］ 空
体 之间 存 在着 强烈 的 动力 学 耦合 作 用 ， 因此其 动力 学与控 制远 较地 面 固定 机 械臂 复杂 Ｌ 。与刚 性空 间 ２ ］
实 了本 文 控 制 方 法 的有 效 性 。
１ 柔 性 空 间 机 械 臂 系 统 动 力 学 分 析
不 失 一 般 性 ， 虑 作 平 面 运 动 的 漂 浮 基 柔 性 空 考
ｚ； 的 质 心 ０ｃ在 Ｏ Ｂ 。 上 与 （１ 距 离 为 ａ ， 轴 ）的
ｏ ｘ ， 为 柔性 臂 Ｂ 在 ｔ Ｊ （ ） ２ 时刻坐标 ｚ （ ≤ｚ ≤ｚ） Ｏ 点 处的 横 向弹性 变形 。Ｂ。 的质 量为 优。相 应 的中心转 ；
第 ３ 第 ５期 ｏ卷
２１ ０ ０年 １ Ｏ月
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ， ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｒ ａ ｆＶｉ ｒ ｔ ｏ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ＆ Ｄｉｇ ｏ ｉ ａ ｎ ｓｓ
Ｖ ｏ ．３ ｏ． １ ０Ｎ ５
ＯＣ ． ２ １ ｔ ００
柔性 空 间机械 臂振 动抑 制 的模糊 终端 滑 模 控 制
基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计
上式对时间求导 ， 可得 ｙ２ ＝ ｖ ＋ α１ ＝ Ｄ （τ － ｆ０ － ｈ０ ） － Λ１ ｙ１ － θｄ
¨ ０ Ｃｒ ｒ Ｃｒ ｆ τ θ θ ・ （７） ・η ＋ ＝ ¨ ＋ Ｃｆ ｒ Ｃ ｆ ｆ ・ η ０ Ｋη
・
第４期
梁 捷 ， 等 ：基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计
４６９
际运动轨迹跟踪期望运动轨迹 ， 并且关节跟踪误差 向量 ｙ１ ＝ θｄ － θ ， 能够渐近地趋向于零 ， 对 ｙ１ 求导 ， 可得
Ｔ
Ｔ
是， 运用退步递推方法设计柔性臂空间机器人系统
柔性臂抗弯刚度 ，τ ＝ （τ０ τ１ τ２ ） 为载体姿态控制 力矩 τ０ 和机械臂两关节铰的控制力矩 τ１ 和 τ２ 组成 的三阶列向量 。 ２． ３ 动力学分析 为了便于后面控制算法的设计 ， 现将上述系统 动力学模型进行如下分析 。 式 （６）的柔性臂空间机 器人系统动力学方程可用分块矩阵表示为 Ｍｒ ｒ Ｍ ｒ ｆ Ｍｆ ｒ Ｍ ｆ ｆ
基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人 模糊退步自适应控制算法设计
梁 捷 倡 １ ，２ ， 陈 力１
（１ ． 福州大学 机械工程及自动化学院 ， 福州 ３５０１０８ ； ２． 中国空气动力研究与发展中心 ， 绵阳 ６２１０００） 摘 要 ： 讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟 、 运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制 。 采用多体动力学建模方法并结合假设模态法 ， 建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型 。 基于该模型 ， 针对系统惯性参数未知情况 ， 提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法 ， 以完成柔性臂空 间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动 。 然后 ， 为了主动抑制系统柔性振动 ， 运用虚拟力的概念 ， 构造 了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹 ， 通过改造原有的控制算法 ， 提出了基于虚拟力概念的模糊 退步自适应控制算法 ； 这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性 ， 而且能主动抑制柔性振 动， 从而提高了轨迹跟踪性能 。 理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性 。 关键词 ： 漂浮基柔性臂空间机器人 ； 虚拟控制力 ； 模糊基函数网络 ； 退步控制算法 ； 柔性振动抑制 ； 泰勒级数展开 中图分类号 ： Ｔ Ｐ２４１ 文献标志码 ： Ａ ｄｏｉ ： １０ ． ７５１１ ／ｊｓｌｘ ２０１４０４００９
柔性关节空间机械臂奇异摄动自适应PD控制仿真研究
柔性关节空间机械臂奇异摄动自适应PD控制仿真研究刘福才;刘林;兰会;赵旭【摘要】建立了柔性关节机械臂空间漂浮和地面调试两阶段的动力学模型,并为柔性关节机械臂末端轨迹跟踪控制设计了基于奇异摄动的自适应PD控制算法,实现了对机械臂末端位置跟踪在空间漂浮和地面调试两阶段的控制.用奇异摄动法实现了将高阶系统降阶为两个低阶系统,即快子系统和慢子系统,再针对两子系统分别设计控制器.对控制系统进行了稳定性分析和仿真验证,结果表明设计的控制算法既可以实现在地面装调时的轨迹跟踪控制,也可以较好地实现空间漂浮状态下的轨迹跟踪控制.%The dynamic model of a flexible joint manipulator in the stages of space floating and ground debugging is es -tablished, and a singular perturbation based adaptive PD control algorithm for the manipulator 's end track trackingcontrol is designed to achieve the manipulator 's end position tracking control in the space floating stage and theground debugging stage.The singular perturbation method is used to divide the higher order system into two lowerones, i.e.a fast subsystem and a slow subsystem, and then the controllers for them are designed respectively .Thecontrol's stability analysis and simulation veritication are conducted , and the results show that the designed controlalgorithm can well achieve the trajectory tracking control both in the stages of ground debugging and space floating .【期刊名称】《高技术通讯》【年(卷),期】2017(027)009【总页数】7页(P833-839)【关键词】自由漂浮;柔性关节;空间机械臂;自适应;奇异摄动【作者】刘福才;刘林;兰会;赵旭【作者单位】燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室秦皇岛066004;燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室秦皇岛066004;燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室秦皇岛066004;燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室秦皇岛066004【正文语种】中文0 引言航天事业的发展，显示出了机械臂在空间作业中的越来越重要的作用。
柔性机械臂运动控制策略研究
柔性机械臂运动控制策略研究柔性机械臂是一种具有柔软、弹性特点的机械臂，被广泛应用于机器人领域。
其柔性结构使得机械臂能够适应复杂的工作环境，具有较高的灵活性和可靠性。
然而，由于其结构特点，如何有效地控制柔性机械臂的运动成为了研究的重点。
一种常见的柔性机械臂运动控制策略是基于传统PID控制算法的方法。
PID控制算法利用反馈控制的原理，根据实时的位置/角度误差来调整控制信号，使机械臂达到预期的运动目标。
然而，由于柔性机械臂的动力学特性复杂，PID控制算法往往无法满足高精度运动控制的需求。
因此，研究者们提出了许多改进的控制策略。
一种改进的控制策略是基于模型预测控制（MPC）的方法。
MPC方法通过对机械臂的动力学模型进行建模和预测，从而得到更加精确的控制信号。
与PID控制算法相比，MPC方法能够更好地处理柔性机械臂的非线性和时变特性，提高运动控制的精度和稳定性。
然而，MPC方法也存在计算复杂度高、实时性差的问题，需要进一步改进和优化。
另一种改进的控制策略是基于人工智能的方法，如深度学习和强化学习。
深度学习通过构建深度神经网络模型，从大量的实验数据中学习机械臂的运动规律，实现自适应控制。
强化学习则通过不断与环境交互，学习出最优的运动策略。
这些基于人工智能的方法能够克服传统控制方法的局限性，具有较好的运动控制效果。
然而，这些方法仍然存在训练时间长、模型不可解释等问题，需要进一步完善。
除了以上提到的控制策略，还有一些其他的研究方向。
例如，基于自适应控制的方法，根据实时的系统状态，自动调整控制参数以适应系统的变化；基于优化算法的方法，通过求解最优化问题，得到最优的运动规划和控制策略。
这些研究方向都在不断推动柔性机械臂运动控制策略的发展。
综上所述，柔性机械臂运动控制策略的研究涉及传统控制算法、模型预测控制、人工智能等多个方面。
不同的控制策略在柔性机械臂运动控制的精度、稳定性和实时性上都有各自的优劣。
随着科技的不断发展，我们相信在不久的将来，柔性机械臂的运动控制技术会进一步突破和创新，为机器人领域的应用带来更多的可能性。
参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态、关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金项 目 １ ３２ ２ １６２ ４ ， 建 省 自然 科 学 ０７ ０２、０７ ０ ０ 福
基 金 项 目 Ｅ ４ ００ ０ １０ ８
收稿 日期 ：２０ ０ ９—０ ６一ｌ 修 改稿 收 到 Ｅ期 ：０ ９—０ ０ １ ｔ ２０ ９— ３ 第 一 作者 洪 昭 斌 男 ， 士 生 ，９２年 ９月 生 博 １８
１ 漂 浮 基 柔性 空 间机械 臂 系统 动 力学
不失一般 性 ， 虑 做平 面运 动 的 自由 漂浮 柔性 空 考
第 １期 １
洪 昭斌等 ：参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态 、 关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案
一
９ ５
间机械 臂系 统 ， 统 结 构 如 图 １所 示 。设 系统 由 自由 系 漂浮 的载体 。 刚性机 械臂 Ｂ 、 及 柔性 机械 臂 Ｂ 组 成 。
跟踪 进行简单 控制 ； 文献 ［ ］ ９ 将虚 拟刚性 机械 臂和 假设 运动 反解相结 合 ， 计 了柔 性 空 间机 械 臂模 型 的扩 展 设 Ｐ Ｄ控制 ； 献 ［０ 利用计 算力 矩法 对平 面柔性 空 间机 文 １］
制 。最 后 ， 使用 本 文 设计 的混 合 控 制方 案 对 漂 浮基 柔 性空 间机械臂 系统 进 行数 值 仿 真 ， 真 结 果 证 实 了该 仿 控 制方案在 系统具 有不确 定参 数 时仍 能保 证 系统追 踪
系统 参 数 不 确定 情 况 下 ， 够 使 载体 姿 态 及 机 械 臂关 节 角 稳 定 地追 踪 期 望 轨 迹并 对 所 产 生 的 柔性 振 动 进 行 主动 抑 制 。 能 关 键 词 ：漂 浮 基 柔 性 空 间机 械 臂 ； 合 控 制 ； 混 变结 构控 制 ； 性 振 动 控 制 ； 拟 控 制力 ； 确定 参 数 柔 虚 不 中 图分 类 号 ：Ｔ ２ １ Ｐ４ 文 献 标识 码 ：Ａ
空间柔性机械臂动力学建模、轨迹规划与振动抑制研究
目录
01 引言
03 研究问题和假设
02 文献综述 04 研究方法
05 研究结果
07 结论
目录
06 讨论 08 参考内容
引言
随着空间科技的不断发展，空间机器人技术已经在许多领域中得到了广泛的应 用。其中，空间柔性机械臂作为空间机器人技术的重要组成部分，具有灵活性 强、适应性强、任务范围广等优点，成为了研究的热点。本次演示将围绕空间 柔性机械臂的动力学建模、轨迹规划和振动抑制等方面展开研究，为空间柔性 机械臂的进一步发展提供理论支持和技术指导。
因此，柔性机械臂的动力学建模和分析对于提高空间任务的成功率和效率具有 重要意义。
谢谢观看
未来研究方向包括进一步考虑复杂环境对七自由度机械臂动力学的影响，以及 研究更加智能的轨迹规划方法，以提高机械臂的适应性和运动效率。本次演示 的研究成果也可以为其他类似复杂系统的动力学建模与控制提供借鉴和参考。
引言
随着空间探索的不断深入，柔性机械臂在空间任务中的应用越来越广泛。柔性 机械臂具有灵活性强、适应性好等优点，在复杂的空间环境中表现出优越的性 能。为了更好地发挥柔性机械臂的优势，提高其控制精度和稳定性，需要对柔 性机械臂的动力学建模进行分析。本次演示旨在探讨空间柔性机械臂的动力学 建模和分析方法，为实际应用提供理论支持。
讨论
针对实验结果的有效性和问题的探讨，本次演示进一步对研究问题和假设进行 了深入的探讨和分析。首先，建立的动力学模型虽然能够全面反映多方面因素 的影响，但在某些情况下仍可能存在一定的误差。未来研究可以考虑将更为先 进的数值计算方法和实验测量手段引入模型的验证和修正过程中，提高模型的 精度和适用范围。
引言
适用于空间机械臂接触作业的自适应阻抗控制
适用于空间机械臂接触作业的自适应阻抗控制目录1. 内容描述 (2)1.1 空间机械臂接触作业的需求与挑战 (3)1.2 自适应阻抗控制概述 (4)1.3 文档结构 (5)2. 空间机械臂力学模型与控制 (6)2.1 机械臂动力学建模 (8)2.1.1 运动学模型 (8)2.1.2 动力学模型 (10)2.2 常规控制方法及其局限性 (10)2.2.1 位置控制 (11)2.2.2 力控制 (11)3. 自适应阻抗控制原理 (13)3.1 阻尼控制与阻抗控制 (14)3.2 自适应阻尼策略 (15)3.3 自适应阻抗控制架构 (16)3.3.1 模型识别 (17)3.3.2 阻抗模型参数自适应 (20)3.3.3 控制算法设计 (21)4. 自适应阻抗控制算法 (22)4.1 模型参考自适应控制 (23)4.1.1 MRAC 基本原理 (24)4.1.2 MRAC 算法设计 (26)4.2 其他自适应控制算法 (27)4.2.1 Neuron网络自适应控制 (28)4.2.2 模型预测控制 (30)5. 仿真与实验验证 (31)5.1 仿真平台搭建与结果分析 (33)5.2 实验平台搭建与结果对比 (34)5.3 收敛速度与鲁棒性分析 (36)6. 结论与展望 (37)6.1 研究结果总结 (38)6.2 未来研究方向 (39)1. 内容描述在当前的空间机械臂技术中，接触作业是一个关键并且复杂的任务。
机械臂在与物体交互时，不仅要求精确的位移控制，还需要适应性强的阻抗控制策略，以满足不同材质和形态的复杂环境需求。
现有的空间机械臂接触控制方法往往固定不变，难以适应接触到不同物体的动态变化，可能导致对轻质、易损或者敏感对象造成意外损伤。
针对这些问题，提出一种适用于空间机械臂接触作业的自适应阻抗控制方案显得尤为重要。
该自适应阻抗控制系统包括柔性模型建立、实时物体特性识别以及动态阻抗控制三大部分。
构建机械臂柔性部件的模型，用以模拟在空间复杂力位环境下的变形特性。
柔性机械臂振动控制
柔性机械臂振动控制1引言随着人类科技水平的不断进步，机器人的应用越来越广泛。
新一代机器人正向着高速化、精密化和轻型化的方向飞速发展, 传统的将机器人视为刚体系统的分析与设计方法已显得愈加不适用。
近二十年,计及构件及关节弹性影响的柔性机器人动力学分析与振动控制问题已受到国内外学者的广泛关注[1]。
在工业、医疗、军事等领域内，它能够代替人类完成大量重复、机械的工作。
近些年，人类对外太空的探索不断深入，空间机器人因为具有较强的恶劣环境的适应能力，且完成任务的精确程度较高，正受到越来越多科研机构的关注和重视。
机械臂作为机器人的重要组成部分，其未来的发展趋势是高速、高精度和轻型化。
操作灵活、性能稳定的柔性机械臂，无论在航天领域还是在工业领域都具有很高的应用价值。
柔性机械臂系统的动力学特点是大范围刚体运动的同时，伴随着柔性臂杆的小幅弹性振动。
柔性臂杆的弹性振动将极大地影响机械臂末端的定位精度，甚至影响机器人系统的稳定性。
2研究背景及意义随着工业自动化程度的提高，工业机器人的应用范围也从传统的汽车制造领域推广到了机械加工业、电子电气业、食品工业、物流、医疗等领域，机器人的科，类包括了焊接机器人、喷涂机器人、洁净机器人和医疗机器人等。
瑞典ABB公司制造的“IRB5400-12”喷涂机器人(图1所示)，具有6个自由度，工作时关节轴的最大转速137o/S，末端定位精度0.15mm，其性能特点是喷涂精确、工作域大、负载能力强且运行可靠性高。
日本FANUC公司制造的“M-10iA”工业机器人(图2所示)，工作半径1420mm，重复精度士0.8mm，主要用途包括搬运、弧焊、机床上下料等。
图1 IRB“5400-12”喷漆机器人图2 “M-10iA”工业机器人日本松下公司和IRT研究院（(Information and Robotics Technology）联合研制的“KAR”洗碗机辅助机器人(图3所示)，臂杆上安装了18个传感器，手爪配备防滑材料，可以牢牢抓住碗碟，防止意外跌落[2]。
漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制
馈载体位置 、 移动速度和移动加速度的显 著优点 。系统 的数值仿真 ， 了方法的有效性。 证实
关 键 词 ：漂 浮基 柔 性 空 间机 械 臂 ； 自适 应 控 制 ； 广变 量 法 ； 时抑 振 ； 知参 数 增 实 未
中图 分 类 号 ：Ｔ ２ １ Ｐ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
空间机 器 人 可 以替 代 宇 航 员更 高效 、 安 全地 进 更 行 太空在 轨作 业 ， 因此 对 空 间机 器 人 系统 动 力 学 建 模 与控制 问题 的研 究 也 得 到 各 国 研 究 人 员 的 广 泛 注 意【 ｊ ｌ 。在实 际 的太 空 应 用 中 ， 间 机器 人 的 机 械 臂 空
振
动
与
冲
击
第２ ９卷第 １ 期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ Ｉ ＨＯＣＫ
漂 浮基 柔 性 空间机械 臂 关节 运 动 的拟增 广 自适 应 控 制 及 柔 性 振 动 实 时 主 动 抑 制
洪 昭斌 ，陈 力
３０ ０ ） ５０ ２
（ 州 大 学 机械 工程 及 自动 化 学 院 ， 州 福 福
摘 要 ：讨论了载体位置、 姿态均不受控情况下， 自由漂浮柔性空间机械臂系统关节运动的拟增广自适应控制和
柔性振动实时主动抑制 问题 。此类机器人系统的特点在 于 ： 结合系统动量及 动量矩守恒关系得到的完全能控 形式 的系统
自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制研究
自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制研究
近年来,空间柔性双臂机器人的研究受到了广泛的关注。
由于柔性机械臂在运动中会发生变形和振动,同时考虑空间机器人在空间存在着很强的外界干扰和系统建模误差,这给空间柔性机器人的定位和跟踪控制带来了很多的问题。
因此,针对自由浮动空间柔性双臂机器人动力学系统的振动和鲁棒性问题,
本文进行了深入的研究,并进行了仿真实验论证。
本文首先基于假设模态法、拉格朗日方程和动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学模型,并考虑系统存在建模误差情况下利用计算力矩法实现了末端执行器的轨迹跟踪。
针对柔性机械臂的弹性振动和系统鲁棒性问题,采用一种基于Lyapunov第
二法的鲁棒跟踪控制和二次型最优混合控制方法,实现自由浮动空间柔性双臂机器人在轨迹跟踪中的振动主动控制,并通过仿真实验证明了该方法的有效性。
其次,对于机械臂与刚性负载组成的闭链系统,本文采用一种基于TSK模糊模型的
自适应控制和模态力混合控制方法,实现刚性负载的动力学轨迹跟踪的振动控制。
此方法在有建模误差和干扰时,仍能使负载较好地跟踪期望轨迹,并具有较
好的振动抑制效果。
然后,针对系统在运动中仍存在较大的柔性振动,采用奇异摄动方法将自由浮动空间柔性双臂机器人开链和闭链系统都分别分解为慢变与快
变两个子系统,并考虑系统存在建模误差和外界干扰情况时,分别对其进行轨迹
跟踪控制和振动控制,改善鲁棒和振动抑制效果。
最后,为了形象地说明空间柔性双臂机器人系统各部分的运动情景,开发了
基于MATLAB的可视化仿真平台和基于OpenGL的可视化仿真平台并进行了仿真验证。
自由浮动空间柔性机械臂轨迹跟踪与抑振控制
Doctor of Philosophy (Master of Engineering) February, 2012
柔性空间机械臂末端运动及柔性振动的模糊自适应补偿控制
ｓｒｄ ｔ ｊｃｏｙ ａ ｄ ｔ ｓ ｐ ｒｓ ｉｒｔ ｎ ｈ ａ ｔｓ ｂ ｙｔｍ ｃ ｎｒｌ ｒｄ ｍｐ ｕ ｈ ｉｒｔ ｎ ｏ ｈ ｉ ｒ ｅ ｔｒ ｎ ｏ ｕ ｐｅ ｓｖｂａｉ ．Ｔ ｅ ｆｓ ｕ ｓ ｓ ｏ ｔ ｌ ａ ｓｏ ｔｔｅ ｖｂ ａｉ ｆｔｅ ｅ ａ ｏ ｅ ｏｅ ｏ
振 动 优 化 控 制
中 图 分 类 号 ： Ｐ ４ Ｔ２１
文 献标 志码 ： Ａ
文 章 编 号 ： ０ ０１９ （ ０ ） ｌ ０ ５１ １０ — ３ ２ １ ０ － ４ —３ ０ １ ０
Ｆｕ ｚ ｇ ｃ Ａｄａ ｔｖ ｍ ｐｅ ｓ ｔｏ ｎｔ ｏ ｆＥｎｄ－ ｆｅ ｔＭ ｏ ｔｏ ｎｄ ｚ ｙ Ｌｏ ｉ ｐ ｉ ｅ Ｃｏ ｎ ａ ｉ ｎ Ｃｏ ｒ ｌｏ ｅ ｆ ｃ ｎｉｎ ａ
第３ ２卷 第 １ 期
２０１ １年 １月
兵
工
学
报
Ｖｏ ． ２ １ ３ ＮＯ １ ．
ＡＣＴＡ ＡＲＭ ＡＭＥＮＴＡＲＩ １
Ｊ 问机 械 臂末 端 运动 及 柔 性 振 动 的 模 糊 自适 应补 偿 控 制
粱 捷 ，陈 力
（ 州 大 学 机 械 工 程 及 自动化 学 院 ，福 建 福 州 ３ ０ ０ ） 福 ５ １ ８
摘要 ： 论 了载体 位置 不 受控 、 态 受控 情 况下 ， 讨 姿 具有 不确定 参数 的 漂浮基 柔 性空 间机械 臂 系
统 载 体 姿 态 与 末 端 爪 手 惯 性 空 间轨 迹 跟 踪 的模 糊 自适 应 补 偿 控 制 和 柔 性 振 动优 化 控 制 问题 。 利 用
拉格 朗 日方程 和假设 模 态法并 结合 系统 动量 守恒 关 系， 析 、 立 了柔性 空 间机 械臂 系统 的动 力学 分 建
自由漂浮柔性空间机械臂抗扰控制
第45卷第1期 2021年2月南京理工大学学报Journal o f N a n jin g U n ive rsity o f Science and TechnologyV'45N'1F e b.2021自由漂浮柔性空间机械臂抗扰控制姚伟，刘辽雪，郭毓，郭健(南京理工大学自动化学院，江苏南京210094)摘要：自由漂浮柔性空间机械臂的基座不受控，在外太空环境中不仅会受到如关节处摩擦力矩等匹配干扰的影响，还会受到如太阳福射等非匹配干扰的影响。
为了保证柔性空间机械臂系统的稳定及末端轨迹跟踪的精准，对其抗干扰控制方法进行研究。
基于奇异摄动法，将柔性空间机械臂系统解耦为刚性与柔性子系统，将非匹配干扰转化为匹配干扰，以便在控制通道对其进行补偿。
对分解后的两个子系统，分别设计了带有干扰补偿的计算力矩控制器和滑模控制器，分别实现末端轨迹跟踪和柔性模态快速镇定。
通过仿真验证了所提控制方法的有效性。
关键词：自由漂浮；柔性空间机械臂；奇异摄动法；抗干扰;非匹配干扰；末端轨迹控制中图分类号:T P242文章编号：1005-9830(2021 $01-0063-08D O I: 10.14177/j.c n k i.32-1397n.2021.45.01.007Anti-disturbance control of free floating flexible space manipulatorYao W ei，Lin Liaoxue，Guo Y u，Guo Jian(S c h o o l o f A u t o m a t io n，N a n jin g U n iv e r s ity o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y，N a n jin g210094, C h in a)A b s t r a c t： I n th e o u te r s p a c e，fr e e f lo a t in g f le x ib le s p a c e m a n ip u la to r s y s te m is n o t o n ly a ffe c te d b ym a tc h e d d is tu r b a n c e l i k e f r ic t io n to r q u e a t th e j o i n t，b u t a ls o b y m is m a tc h e d d is tu r b a n c e s u c h as s o la r r a d ia tio n. I n o r d e r to e n s u re th e a c c u ra te t r a c k in g o f e n d p o in t t r a jef le x ib le s p a c e m a n ip u la t o r，a n a n ti-d is tu r b a n c e c o n tr o l s c h e m e is s tu d ie d in th is p a p es in g u la r p e r tu r b a tio n m e t h o d，th e f le x ib le s p a c e m a n ip u la to r s y s te m is d e c o m p o s e d in t o r ig id s u b s y s te m a n d f le x ib le s u b s y s te m，a n d th e m is m a tc h e d d is tu r b a n c e is c o n v e r te d to m a tc h e d fo r m w h ic h c a n b e d ir e c t ly c o m p e n s a te d in th e c o n tr o l c h a n n e l. A c o m p u te d to r q u e c o n t r o lle r w it hd is tu r b a n ce c o m p e n s a tio n a n d a s lid in g m o d e c o n t r o lle r a re d e s ig n e df o r th e tw o s u b s y s te m sr e s p e c tiv e ly to c a r r y o u t e n d p o in t t r a je c to r y t r a c k in g a n d f le x ib le m o d e s s ta b iliz re s u lts s h o w t h e e ffe c tiv e n e s s o f th e p r o p o s e d c o n tr o l s c h e m e.K e y w o r d s:f r e e f lo a t in g;f le x ib le s p a c e m a n ip u la t o r;s in g u la r p e r tu r b a tio n m e t h o d;a n t i-d is t u r b a n c e;m is m a tc h e d d is t u r b a n c e;e n d p o in t tr a je c to r y t r a c k in g收稿日期：2020-07-03修回日期：2020-11-05基金项目：国家自然科学基金（61973167;61973166;61773211;61673219)作者简介:姚伟（1990-)，男，博士生，主要研究方向：机械臂控制，非线性系统控制，E-m a il:jg38b ra n d@;通讯作者:郭毓（1964-)，女，博士，教授，主要研究方向:航天器控制，机器人技术，自适应控制，E-m a l：g u o y u@n ju s t.e d u.c n。
柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制
柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制梁捷;陈力;梁频【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)018【摘要】空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节；由于空间机器人系统结构的复杂性，以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够；为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。
依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型；以此为基础；针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况，引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统；针对电机力矩动力子系统，设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动；针对柔性臂子系统，提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案，由于运用了虚拟力的概念，从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。
计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。
【总页数】9页(P62-70)【作者】梁捷;陈力;梁频【作者单位】福州大学机械工程及自动化学院，福州 350108; 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000; 电子科技大学航空航天学院，成都 611731;福州大学机械工程及自动化学院，福州 350108;中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】TP241【相关文献】1.关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal 滑模控制及柔性振动抑制 [J], 梁捷;陈力2.柔性关节空间机器人基于柔性补偿的模糊鲁棒滑模控制及柔性振动主动抑制 [J], 谢立敏;陈力3.带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制 [J], 陈志勇;陈力4.漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人运动非线性滑模控制及双重弹性振动主动抑制 [J], 谢立敏;陈力5.漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制 [J], 谢立敏;陈力因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
自由浮动空间柔性机械臂在轨操作刚性载荷的组合控制
自由浮动空间柔性机械臂在轨操作刚性载荷的组合控制王从庆;裴希伍;吴鹏飞
【期刊名称】《南京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2012(044)004
【摘要】针对自由浮动空间柔性机械臂,讨论了在笛卡尔坐标系中机械臂对刚性载荷的轨迹跟踪控制和连杆柔性振动主动控制问题.基于拉格朗日法、假设模态法和系统动量守恒定律,推导了一种自由浮动空间柔性机械臂在轨操作刚性载荷的动力学方程.在此基础上,采用奇异摄动法将系统分解为慢变和快变两种尺度时标的子系统,设计模糊终端滑模控制器和Backstepping控制器分别对两个子系统进行控制,由此得到的组合控制使得机械臂按期望轨迹对刚性载荷进行精确在轨操作,同时抑制了柔性连杆的弹性振动.通过数字仿真验证了上连方法的有效性.
【总页数】6页(P452-457)
【作者】王从庆;裴希伍;吴鹏飞
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京,210016;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安,710054;南京航空航天大学自动化学院,南
京,210016;南京航空航天大学自动化学院,南京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】TP41;TH113
【相关文献】
1.漂浮基空间柔性机械臂在轨捕获碰撞分析 [J], 贾庆轩;洪训超;陈钢;张龙
2.自由浮动柔性空间双臂机器人的混合抑振控制 [J], 王从庆;柯昌俊
3.自由浮动冗余度空间机器人的混沌识别与控制 [J], 王香岭;王从庆
4.自由浮动冗余度空间机器人的姿态稳定控制 [J], 朱雷;王从庆
5.自由浮动空间冗余度机械臂避奇异规化的混沌运动抑制控制 [J], 袁文翀;王从庆;武和雷;刘秀超
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飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制
飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制于潇雁;陈力【摘要】The augmented adaptive kinematic control and vibration optimal control based on velocity observers for a free-floating two-link flexible space manipulator under external disturbances were studied when positions and attitudes of its base were uncontrollable.Firstly,after selecting an appropriate coordinate system,the dynamic equations of the freefloating two-link flexible space manipulator were established with the momentum conservation principle and Lagrange equations.Secondly,using the singular perturbation approach,the manipulator system was divided into two sub-systems including a slowly varying subsystem of base attitudes and joints' trajectory tracking and a fast varying subsystem to describe flexible-links' vibration.Then a composite controller consisting of a slowly varying control component and a fast varying control component was proposed.The slowly varying subsystem's observed velocity vector was obtained with an adaptive sliding model velocity observer.Based on this observed velocity vector,an augmented adaptive slowly varying control law was designed to realize joints' trajectory tracking.The observed velocity vector of the fast varying subsystem was obtained with a linear velocity observer.Based on this observed velocity vector,the fast varying control law was designed to realize the vibration optimal control of flexible links using the optimal linear quadratic regulator (LQR) method.Finally,the numerical simulation of the system verified the effectiveness of theproposed method.The results showed that this control scheme does not need direct measurement of position,moving velocity,and moving acceleration of base,angular velocities,and angular accelerations of joints as well as derivatives of flexible vibration modal coordinates.%讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,存在外部扰动漂浮基两杆柔性空间机械臂的基于速度观测器的增广自适应运动控制与振动最优控制问题.选择合适的联体坐标系,利用Lagrange方法并结合动量守恒原理建立了飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程.利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、关节轨迹跟踪的慢变子系统与一个描述柔性杆振动的快变子系统.以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器.利用自适应滑模观测器得到慢变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量设计得到系统的增广自适应慢变控制律来实现关节轨迹的跟踪.利用线性观测器得到快变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量并运用线性系统的最优控制理论得到了系统的快变控制律来实现柔性杆振动最优控制.系统的数值仿真证实了方法的有效性.该控制方案不需直接测量关节角速度、关节角加速度与柔性振动模态坐标导数以及漂浮基的位置、移动速度、移动加速度.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】7页(P176-182)【关键词】飘浮基两杆柔性空间机械臂;奇异摄动法;自适应控制;增广法;速度观测器;振动最优控制【作者】于潇雁;陈力【作者单位】福州大学机械工程及自动化学院,福州350116;福州大学机械工程及自动化学院,福州350116【正文语种】中文【中图分类】V42;TP241在未来的空间操作作业中，空间机器人将扮演越来越重要的角色，其应用将减少宇航员舱外活动的危险与载人航天的费用，因此空间机器人引起了各国研究人员的广泛关注[1-4]。
参数不确定与有界干扰自由飘浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制
参数不确定与有界干扰自由飘浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制于潇雁;陈力【摘要】讨论载体位置、姿态均不受控情况下系统参数不确定与有界干扰自由漂浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制问题。
利用拉格朗日方程结合动量守恒原理获得自由飘浮柔性空间机械臂系统动力学方程；用奇异摄动法将柔性空间机械臂系统分解为关于关节轨迹跟踪的慢变子系统与描述柔性杆件振动的快变子系统。
以此为基础，提出含慢、快变控制项的复合控制器。
将动态滑模观测器与鲁棒控制结合，获得系统慢变控制力矩实现关节轨迹跟踪。
对快变子系统基于线性观测器及线性系统最优控制理论获得系统快变控制力矩实现柔性杆振动抑制。
并数值仿真证实方法的有效性。
该控制方案仅需精确的载体姿态、关节角位置及柔性振动模态坐标反馈，而无需测量载体姿态角速度、关节角速度及角加速度、柔性振动模态坐标导数及漂浮基位置、移动速度、移动加速度。
%The robust control based on a velocity observer was introduced for a free-floating flexible space manipulator with unknown payload parameters and bounded disturbances.The dynamic model of the free-floating space manipulator with a flexible link was established by applying the momentum conservation principle and the Lagrange equations.The singular perturbation model of the flexible space manipulator system was obtained according to the two-time scale control theory,in which the system was decoupled into slow (rigid)and fast (flexible)subsystems.Then a composite controller consisting of a slow control component and a fast control component was proposed.A sliding observer based robust controlalgorithm was applied to control the slow subsystem with unknown payload parameters and bounded disturbances to track the desired trajectory.The fast controller was designed with the estimated velocity based on a linear observer to damp out the vibration of the flexible link using optimal linear quadratic regulator (LQR)method.Finally,a numerical simulation was carried out,which confirms the controller proposed was feasible and effective.The virtue of this control scheme is that the linear position,linear velocity,linear acceleration and angular velocity of the base,the angular velocities,angular accelerations of the joint as well as the derivative of the flexible vibration mode needn't be measured directly.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)014【总页数】8页(P85-92)【关键词】飘浮基柔性空间机械臂;奇异摄动法;鲁棒控制;速度观测【作者】于潇雁;陈力【作者单位】福州大学机械工程及自动化学院，福州 350116;福州大学机械工程及自动化学院，福州 350116【正文语种】中文【中图分类】V42;TP241未来空间作业中机器人将扮演重要角色，不仅能减少宇航员舱外活动危险且可节省载人航天费用，因此对空间机器人研究颇受关注[1-4]。
姿态受控柔性关节双臂空间机器人的抗力矩饱和控制与振动抑制_陈志勇
(1)
(2)
工
程
力
学
229
D11 D12 55 共 同 组 成 。 其 中 ， D (q ) R 、 D D 22 21 H H 12 55 ) 11 H (q , q R 分别为双臂空间机器 H H 22 21
人的对称、正定惯性阵及从系统科氏力、离心力列 向量中分离出来的矩阵，且对于任意列向量 z R 5
变系统：
(9)
H11 R 、H12 R θ [θ1 θ2
11
14
、H 21 R
41
和 H 22 R
44
均 ，
将式(9)代入机器人子动力学方程式(1)， 得到慢
为 矩 阵 H (q ) 的 子 矩 阵 ； q [ 0
Abstract: The paper studies the anti-torque-windup control and flexible vibration suppression problems on the coordinated positioning of the base attitude and manipulator joints of a free-floating flexible-joint dual-arm space robot. The full-actuated dynamic equations of flexible-joint dual-arm space robot with an attitude-controlled base are derived by using the linear momentum conservation and Lagrange method. With the flexibility compensating and singular perturbation technology, singular perturbation model of the system is obtained. To suppress the joint flexible vibration of two arms, a torque differential state feedback control strategy is presented for the fast subsystem. Meanwhile, an anti-torque-windup control method based on the torque active constraint design is proposed for the slow subsystem to track the desired positions of the base attitude and joints, and then the control saturation problems of the actual base attitude control system and joint motors are avoided. The obtained simulation results show that the proposed control scheme can accurately position the base attitude and two arms’ joint, suppress the flexible vibration of joints and limit the output amplitude of the actual control torques effectively. Key words: dual-arm space robot; flexible-joint; singular perturbation; anti-torque-windup; vibration suppression
采用模糊补偿滑模控制器的空间柔性机械臂振动抑制方法
采用模糊补偿滑模控制器的空间柔性机械臂振动抑制方法尚东阳;李小彭;尹猛;李凡杰;周赛男【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2024(43)7【摘要】空间柔性机械臂可以安装于空间站协助宇航员开展在轨维修、航天器交会对接和太空垃圾捕获等任务。
空间柔性机械臂因其细长的结构在运动过程中会出现振动现象,进而影响操作精度和飞行安全。
为了减弱空间柔性机械臂的振动,采用模糊补偿滑模控制策略对空间柔性机械臂的旋转运动进行控制。
通过提高空间柔性机械臂的转动控制精度间接地减弱振动。
首先根据假设模态法描述空间柔性机械臂的变形,使用拉格朗日原理建立了考虑了二维变形的模态和转角耦合的动力学方程。
然后,利用模糊规则的万能逼近特性辨识、补偿包括柔性非线性项和外界干扰的动力学模型的不确定成分。
接下来,根据李雅普诺夫函数设计模糊补偿滑模控制策略的控制律和自适应律以保证空间柔性机械臂的闭环稳定性。
最后,开展了空间柔性机械臂的仿真和物理样机控制试验。
试验结果表明,模糊补偿滑模控制策略可以有效地提高空间柔性机械臂的转动控制精度,间接地减弱振动幅值。
与传统的滑模控制策略相比,提出的控制策略可以使转角跟踪误差绝对值的平均值下降17.86%,使横向加速度的标准差下降31.91%。
【总页数】12页(P175-185)【作者】尚东阳;李小彭;尹猛;李凡杰;周赛男【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院;中国科学院深圳先进技术研究院【正文语种】中文【中图分类】TP13;TP249【相关文献】1.柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制2.柔性空间机械臂系统的模糊滑模神经网络控制及柔性振动主动抑制3.柔性关节空间机器人基于柔性补偿的模糊鲁棒滑模控制及柔性振动主动抑制4.柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制5.漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
干支线混合区域的协调控制方案
干支线混合区域的协调控制方案陈晓龙;胡志坤;雷霆;谷丰;刘光勇;王文祥【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2013(34)10【摘要】为解决传统区域协调控制方案因算法复杂、输入量多、非实时性导致协调效果不佳的问题,提出一套以干线为主的区域协调控制方案.首先将区域预设为若干个子区并基于周期原则动态地对子区进行合并与拆分,然后在子区内部对干线采用绿波协调控制算法,获得子区最佳周期和各交叉口最佳相位差,最后对所有交叉口采用基于饱和度估计的单点绿信比优化算法,选择出下一周期最佳绿信比方案.与传统区域协调控制方案相比,该方案计算的复杂度降低、需要的输入量变少、能实时动态地对区域进行协调控制、协调效果更好.通过算例分析和系统仿真,使用该方案后,子区内部能获得大于30％的绿波带宽度,单个交叉口的平均停车次数比传统方案减少65％.【总页数】6页(P3669-3674)【作者】陈晓龙;胡志坤;雷霆;谷丰;刘光勇;王文祥【作者单位】中南大学物理与电子学院,湖南长沙410083;中南大学物理与电子学院,湖南长沙410083;中南大学物理与电子学院,湖南长沙410083;株洲南车时代电气股份有限公司智能交通事业部,湖南株洲412001;株洲南车时代电气股份有限公司智能交通事业部,湖南株洲412001;中南大学物理与电子学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP31【相关文献】1.参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态、关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案 [J], 洪昭斌;陈;力2.中国区域经济协调发展的混合鱼群算法聚类分析 [J], 付传秀;周建新3.区域电网在线综合安全预警及协调预防控制方案 [J], 张庆文4.两阶不定椭圆问题混合元和投影非协调元的区域分解法 [J], 陈金如;陈文斌5.空间机械臂载体与末端抓手协调运动的鲁棒与自适应混合控制方案 [J], 陈力因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。