International Journal of Control, Automation, and Systems
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제6권1호
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pp.35-43
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2008
The control of underactuated mechanical system is very complex for the loss of its control inputs. The model of underactuated mechanical systems in a potential field is built with Lagrangian method and its structural properties are analyzed in detail. A genetic algorithm (GA)based stable control approach is proposed for the class of under actuated mechanical systems. The Lyapunov stability theory and system properties are utilized to guarantee the system stability to its equilibrium. The real-valued GA is used to adjust the controller parameters to improve the system performance. This approach is applied to the underactuated double-pendulum-type overhead crane and the simulation results illustrate the complex system dynamics and the validity of the proposed control algorithm.
An open loop vibrational control of underactuated mechanical systems with amplitude and frequency modulations is investigated. The underactuated systems considered in the paper are assumed to have free joints with no brake. The active joints are positioned first by a linearizing control, and then periodic oscillatory inputs are applied to them to move the remaining free joints to their desired states. A systematic way of obtaining averaged systems for the underactuated systems with oscillatory vibrations is developed. A complete solution to the open loop control strategy in terms of determining amplitudes and frequencies for general system is still under investigation. However, a specific control design for 2R manipulator which is obtained the averaging system is demonstrated.
In this paper a nonlinear control strategy via feedback linearization and energy based Lyapunov function for underactuated mechanical systems is investigated. Underactuated mechanical system is a system of which the number of actuators is less than the number of degrees of freedom. Developed algorithm is applied to a crane system of grab operation. Positioning of the trolley as well as swing-up of the pendulum to the up-right position including maintaining the sway angle at some desired degree are demonstrated. Simulations are provided.
An open loop vibrational control of underactuated mechanical system with amplitude and frequency modulations is investigated. The underactuated systems sonsidered in the paper are assumed to have free joints with no brake. The active joints are positioned first by a linearizing control, and then periodic oscillatory input are applied to them to move the remaining free joints to their desired states. A systematic way of obtaining averaged systems for the underactuated systems with oscillatory vibration is developed. A complete solution to the open loop control strateegy in terms of determining amplitudes and frequencies for general system is still under investigation. However, a specific control design for 2R manipulator which is obtained through the averaged system is demonstrated.
An open loop vibrational control for an underactuated mechanical system with amplitude and frequently modulation is investigated. Since there is no direct external input to an unactuated joint, the dynamic coupling between the actuated and unactuated joints is utilized for controlling the unactuated joint. Feedback linearization has been performed to incorporate fully the known nonlinearities of the underactuated system considered. The actuated joints are firstly positioned to their desired locations, and the periodic oscillatory inputs are applied to the actuated joints to move the remaining unactuated joints to their target positions. The amplitudes and frequencies of the vibrations introduced are determined through averaging analysis. A systematic way of obtaining an averaged system for the underactuated system via a coordinate transformation is developed. A control design example of 2R planer manipulator with a free joint with no brake is provided.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제5권5호
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pp.547-558
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2007
This paper proposes a simpler solution to the stabilization problem of a special class of nonlinear underactuated mechanical systems which includes widely studied benchmark systems like Inertia Wheel Pendulum, TORA and Acrobot. Complex internal dynamics and lack of exact feedback linearizibility of these systems makes design of control law a challenging task. Stabilization of these systems has been achieved using Energy Shaping and damping injection and Backstepping technique. Former results in hybrid or switching architectures that make stability analysis complicated whereas use of backstepping some times requires closed form explicit solutions of highly nonlinear equations resulting from partial feedback linearization. It also exhibits the phenomenon of explosions of terms resulting in a highly complicated control law. Exploiting recently introduced Dynamic Surface Control technique and using control Lyapunov function method, a novel nonlinear controller design is presented as a solution to these problems. The stability of the closed loop system is analyzed by exploiting its two-time scale nature and applying concepts from Singular Perturbation Theory. The design procedure is shown to be simpler and more intuitive than existing designs. Design has been applied to important benchmark systems belonging to the class demonstrating controller design simplicity. Advantages over conventional Energy Shaping and Backstepping controllers are analyzed theoretically and performance is verified using numerical simulations.
In this paper the sway-control problem of a container crane is investigated in the perspective of controlling an underactuated mechanical system. For fast loading/unloading of containers from the ship, quick suppression of the remaining swing motion of the container at the end of each trolley stroke is crucial. Known nonlinearities are fully incorporated by feedback linearization. Robustness is enhanced by variable structure control. Compared with the linear LQ control, much better performance can be obtained.
부족구동시스템은 제어되어야 하는 자유도보다 더 적은 수의 구동부를 가진 시스템으로 특정질 수 있으며, 이런 시스템을 제어하기 위한 알고리즘을 찾는 문제에 대한 관심이 지속적으로 증대되고 있다. 가변구조시스템 이론을 기반으로 하는 슬라이딩 모드 제어기는 비선형 시스템을 제어하는데 있어 강건한 도구를 제공하고 있다. 본 논문에서는 부족구동시스템을 효과적으로 제어하기 위한 적분슬라이딩 함수를 이용한 슬라이딩 모드 제어기를 제안하고, Lyapunov 안정도 이론을 이용하여 점근적 안정성을 입증하였다. 제안된 제어기의 효용성을 검증하기 위해 대표적인 부족구동시스템인 아크로봇 (Acrobot)을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 아크로봇의 동적 모델은 Mathworks사의 Simscape을 이용하여 구현하였으며, 제어기 구성은 Simulink를 이용하여 구성하였다. 시뮬레이션 결과는 제안된 제어기의 유용성과 효과성을 입증하였다.
A two-wheeled balancing mobile robot (TWBMR) has the characteristics of both nonlinear and underactuated system. In this paper, the disturbances acting on a TWBMR are classified into body disturbance and wheel disturbance. Additionally, we describe a nonlinear disturbance observer, which is suitable as a single input multi-output (SIMO) system for the longitudinal motion of TWBMR. Finally, we propose a reasonable disturbance compensation technique that combines the indirect reference input of equilibrium point and the direct torque compensation input. Simulations and experimental results show that the proposed disturbance compensation method is an effective way to achieve robust postural stability, specifically on inclined terrains.
This paper presents an anthropomorphic finger prosthesis for amputees whose proximal phalanx is mutilated. The finger prosthesis to be proposed is able to make the amputees to perform the natural motion such as flexion/extension as well as self-adaptive grasping motion as if normal human finger does. The mechanism of finger prosthesis with three degrees-of-freedom (DOFs) consists of two five-bar and one four-bar linkages. Two passive components composed of torsional spring and mechanical stopper and only one active joint are employed in order to realize an underactuation. Each passive component is installed into the five-bar linkage. In order to activate the finger prosthesis, it is required for the user to flex and extend the remaining proximal phalanx on the metacarpophalangeal (MCP) joint, not an electric motor. Thus the finger prosthesis conducts not only the natural motion according to his/her intention but also the grasping motion through the deformation of springs by the object for human finger-like behavior. In order to reveal the operation principle of the proposed mechanism, kinematic analysis is performed for the linkage design. Finally both simulations and experiments are conducted in order to reveal the design feasibility of the proposed finger mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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