1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
本文将冗余机械臂的轨迹跟踪和避障规划统一为优化问题，提出了一种基于改进灰狼算法的避障跟踪优化器。首先，基于包围盒法对避障空间进行了建模，使用GJK算法计算机械臂与障碍物之间的最小距离。其次，设计了适应度函数，引入避障奖励项对优化器进行主动奖励，使机械臂在跟踪目标轨迹的同时避开障碍物。然后，使用随机分散策略对灰狼算法进行了改进，以增强算法的全局搜索能力，从而更好地求解优化问题。最后，使用九自由度冗余机械臂验证了所提出方法的有效性和优越性。实验结果表明：对于圆形目标轨迹，机械臂的末端跟踪误差为0.21 mm；跟踪过程中，机械臂与障碍物的距离不小于70 mm；相比于经典灰狼算法，改进灰狼算法使跟踪精度提高了13%。本文提出的避障跟踪优化器能以毫米级的精度同时满足冗余机械臂的轨迹跟踪和避障任务；改进的灰狼算法能有效提高经典灰狼算法的收敛精度。
冗余机械臂 灰狼算法 轨迹跟踪 避障规划 redundant robotic manipulator grey wolf optimizer trajectory tracking obstacle avoidance 光学 精密工程
2023, 31(24): 3595
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130000
2 中国科学院大学, 北京 100000
3 中国科学院空间光学系统在轨制造与集成重点实验室, 长春 130000
针对光电跟踪转台的高精度跟踪问题, 设计了一种反步滑模控制系统和算法,该算法在反步控制的基础上引入滑模控制, 提高了控制器的鲁棒性。通过仿真分析可知, 该算法相较于反步控制算法和PID控制算法性能得到了提升, 其中, 阶跃跟踪响应速度提高21%以上, 正弦跟踪稳态精度和随机干扰下的稳态精度均提高两个数量级, 脉冲干扰稳定时间减少0.7 s以上,很好地保证了光电跟踪转台的跟踪精度。
光电跟踪转台 反步滑模控制 跟踪精度 photoelectric tracking turntable backstepping sliding mode control tracking accuracy
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间机器人工程中心 空间机器人系统创新研究室，吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
为了测量大质量设备的多维扰振力，设计了一种基于传感器阵列式分布的多维扰振测量平台。该平台基于压电传感器采用了冗余式阵列的振动测量策略，解决了大负载及高刚度的测量要求，避免了结构耦合引入的测量精度损失。同时，为了克服阵列式测量引入的冗余测量误差，本文基于广义逆求解法进行测量精度优化，针对不同的被测振源选取不同位置的传感器作为测量单元，并在此基础上采用全回归法的线性解耦算法得到更精确的三维力求解表达式，避免了冗余测量引入系统误差，也降低了不同力学特性的振源对平台测量结果的影响。最后，搭建了该阵列式多维扰振力测量平台的原理样机，通过实验验证了测量平台的可行性。实验结果表明，该系统保证了高承载能力和刚度（样机基频为1 174 Hz，承载能力达416 kN），对8~800 Hz频率范围内的三维广义力的动态相对误差小于5%，满足了精度高、载荷大、刚度强等测量要求。
微振动 重载测量 阵列式传感器 线性解耦算法 测量策略 micro vibration heavy load measurement array sensor linear decoupling algorithm measuring strategy
1 中科院长春光学精密机械与物理研究所 中科院空间光学系统在轨制造与;集成重点实验室，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京100049
针对刚性航天器在姿态跟踪控制中存在的系统不确定及外界干扰等问题，提出了一种预定义时间滑模控制器（PTSMC）。首先，给出了以四元数为姿态参数的航天器姿态跟踪控制系统，利用误差四元数和误差角速度设计了预定义时间滑模面。然后，考虑了航天器系统的不确定性和外界干扰设计了一种非保守上界的PTSMC，并通过边界层技术降低了系统抖动。最后，通过设计Lyapunov函数，证明了所提出的控制器的预定义时间稳定性和系统收敛时间上界的非保守性。仿真结果表明，刚性航天器的姿态跟踪误差精度可达1.5×10-6 rad，角速度跟踪误差精度可达2×10-6 rad/s。与现有的预定义时间控制器相比，所提出的控制器的稳定时间上限是更加非保守的，与传统PD控制和非奇异终端滑模控制相比，所提出的控制器具有更高的跟踪精度和鲁棒性。通过3自由度气浮平台的姿态跟踪实验进一步说明了控制方案的有效性，其中角度跟踪误差小于0.1 rad，位置跟踪误差小于0.2 m。
航天器 姿态跟踪 预定义时间控制 滑模控制 spacecraft attitude tracking predefined-time control sliding mode control 光学 精密工程
2021, 29(12): 2891
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
针对模块化关节，设计了一套离线辨识方法，对关节的摩擦模型进行了辨识，并对摩擦力进行了补偿。首先，介绍了该模块化关节的结构和控制系统，建立了关节的动力学模型。然后，基于LuGre摩擦模型对关节摩擦力进行了建模，分别用灰狼算法和分段最小二乘配合伪随机序列法辨识了模型的参数，并进行对比分析。最后，设计了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿算法，并进行了实验验证。实验结果表明：相较于分段最小二乘法，灰狼算法的辨识精度提高了19.2%；给定幅值为1 （°）/s，频率为10 Hz的正弦速度信号，摩擦补偿使关节速度跟踪误差从0.295 （°）/s减少为0.183 （°）/s；关节速度环带宽从12 Hz提高到18 Hz。多次实验显示，辨识的数据具有较高的重复性，验证了辨识方法的有效性。设计的前馈摩擦补偿算法可以改善关节控制系统的动态性能。
模块化关节 参数辨识 LuGre摩擦模型 灰狼算法 摩擦补偿 modular joint parameter identification LuGre friction model grey wolf optimizer friction compensation 光学 精密工程
2021, 29(11): 2683
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院大学, 北京 100049
为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题, 设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台, 能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先, 利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式, 并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化, 使得平台固有频率满足5~250 Hz的模拟带宽。最后, 提出了一种基于传递函数的控制方法, 验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4 Hz, 第7阶基频356 Hz, 满足带宽要求; 通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%, 说明该方法适用于平台的控制; 上平台输出最大平动加速度为399.3 mg, 最大角度扰动为1 979.3 μrad, 满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点, 能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。
空间微振动 固有频率 构型优化 传递函数 spatial microvibration natural frequency configuration optimization transfer function 光学 精密工程
2019, 27(12): 2590
1 中国科学院 长春光学精密器械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京100049
3 中国人民公安大学 遥感中心, 北京 100038
为了实现超冗余机械臂的实时在线规划, 本文提出一种基于雅克比转置矩阵的人工势场轨迹规划方法。轨迹规划不仅要满足末端跟踪精度要求, 而且要满足关节速度和角度约束, 关节速度主要由轨迹规划算法的增益决定, 而增益的大小决定系统稳态性能的好坏, 通过优化势场函数和使用加权关节速度, 在避免关节限制的前提下减小关节速度范数, 从而能选择更大的增益。使用蒙特卡洛法建立最大关节速度与增益的关系, 从而确定增益范围。分别在点对点运动和轨迹跟踪运动中选取不同的增益证明算法的正确性和有效性, 并在轨迹跟踪运动中引入速度前馈, 通过李雅普诺夫稳定性定理证明算法稳定性。通过以超冗余机械臂为模型仿真验证, 得出在点对点运动下末端位置偏差小于10-4 mm, 姿态偏差小于1×10-5 rad; 轨迹跟踪运动的位置偏差小于10-3 mm, 姿态偏差小于1×10-4 rad。最后进行实验验证, 虽然实验过程中轨迹偏差相比于仿真增加一个数量级, 但仍符合实验任务需求。
人工势场 关节约束 加权关节速度 蒙特卡洛法 速度前馈 李雅普诺夫稳定性定理 artificial potential field joint constraints weighted joint velocities Monte Carlo method speed feedforward Lyapunov stability theorem
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统, 设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器, 并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区, 并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后, 采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置, 进一步设计了整个气路系统, 并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后, 采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程, 联合Simulink和Adams, 搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示, 模拟器能够承载800 kg以上的重量, 单方向上能够达到8 N的力, 整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果, 能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。
空间机器人 三自由度 模拟器 冷气推进 力分配 结构设计 space robots three degree of freedom simulator cold gas propulsion force distribution structural design
