关键词： 机器人控制系统   阻抗控制   动力学参数辨识   模糊自适应控制  

摘要： 保证机器人接触力和位置跟踪的柔顺控制是提高机器人打磨质量的关键技术之一。本文以人机协作机器人柔顺控制为内容展开研究,旨在解决阻抗控制中阻抗参数优化以及阻抗参数对外界环境变化的自适应调整等难题。论文主要研究内容如下: (1)完成了七自由度协作机器人运动学分析和工作空间分析。基于D-H参数法对机器人进行了运动学建模,使用数值迭代法求解了机器人逆运动学,采用蒙特卡洛法对机器人的工作空间进行了分析,并基于Matlab完成了数值实验验证。 (2)完成了七自由度协作机器人动力学参数辨识,并基于辨识出的动力学模型完成了计算力矩控制器设计。采用牛顿欧拉法建立了机器人的动力学模型,基于几何递推法推导出一组机器人的最小参数集,将机器人末端与本体之间的距离加入到非线性优化的约束当中,进行优化求解出了符合辨识要求的激励轨迹。基于Baxter机器人实验平台完成了辨识实验,用最小二乘法辨识出所需的动力学参数,并在验证轨迹上对辨识出的动力学模型进行验证。基于辨识出的动力学模型设计了计算力矩控制器,并采用Simulink软件完成了轨迹跟踪效果的仿真实验验证。 (3)设计了基于位置的协作机器人阻抗控制器。将多子群改进的海洋捕食者算法引入基于位置的阻抗控制中,提出了阻抗参数优化方法。将模糊控制引入基于位置的阻抗控制中,实现了阻抗参数自动调整适应环境变化,并通过在Simulink软件中搭建仿真模型对环境刚度变化和环境位置突变的两种情况进行了仿真验证,证明了方法的有效性。 (4)设计了机器人控制软件并完成了打磨物理实验验证。基于Baxter机器人SDK设计了机器人控制软件,完成了轨迹规划,碰撞检测,打磨等物理实验,验证了控制算法与软件的有效性。

关键词： 并联机构   动力学   柔顺控制   自适应控制   阻抗控制  

摘要： 并联机构作为工业机器人的一个重要分支,广泛应用于航空航天、物流分拣、医疗器械等领域。Stewart并联机构作为并联机器人的代表之一,拥有定位精度高、结构刚度强、动态响应好等优点。随着对机器人技术的深入研究和智能制造领域的强劲需求,传统的基于位置控制的机器人运动控制策略已经不能满足诸如柔顺装配、表面抛光等复杂任务的柔顺要求。同时,对于人机协作、示教操作等由未知物理环境引起的接触问题,需要机器人具有稳定可靠的自适应与柔顺控制能力。本文针对此类问题,设计了Stewart并联机构的自适应导纳控制系统并搭建实验平台,完成系统的仿真和实验,主要工作如下: (1)研究分析国内外目前对于并联机构的运动学与动力学建模方法和机器人的柔顺控制技术,对于Stewart并联机构于未知物理环境下柔性对接的目标,提出了自适应导纳控制策略。 (2)完成Stewart并联机构的运动学建模和仿真验证。首先确定姿态的z-yx欧拉角旋转方式,推导旋转矩阵和角速度公式;然后通过雅可比矩阵建立运动学模型,并探讨正运动学的数值求解过程;接着在Matlab/Simscape中建立虚拟样机;最后经跟踪特定轨迹,比较末端执行器的位姿误差验证运动学模型的准确性。 (3)建立了并联机构的动力学模型,并基于拉格朗日方程第二形式构建封闭式动力学表达式,以便于后续控制结构的设计。使用牛顿-欧拉法建立各构件的动力学模型,通过支路末端相互作用力联系运动平台和支路的动力学方程。令虚拟样机跟踪指定轨迹,对比位姿的跟踪误差验证动力学模型的精确性。 (3)提出一种自适应导纳控制策略,通过导纳控制修正自适应控制生成的参考轨迹。详细介绍阻抗控制和导纳控制方法,例证各控制参数对系统动态特性的影响;通过自适应控制算法应对环境参数的不确定性,建立环境动力学模型,结合导纳控制算法使并联机构既实现未知环境下跟踪期望接触力轨迹,又实现指定的柔顺性能,并基于Lyapunov第二方法证明控制策略的稳定性;设计一系列仿真实验,验证了算法的有效性。 (4)搭建Stewart实物并联平台,使用Matlab/App Designer设计上位机通讯软件,进行并联机构的管道柔顺对接测试,对提出的自适应导纳控制策略进行实验验证,并对实验数据进行分析总结。本文提供一种在未知环境下并联机构柔顺装配的控制策略,实现了预期任务目标。

关键词： 并联机构   位置控制   柔顺控制   自适应阻抗控制  

摘要： 随着机器人技术的发展,对其控制方法的要求也越来越高,尤其是在需要与复杂环境交互的场景中,传统的速度和位置控制方法已经无法满足更高的性能要求。因此,研究并应用主动柔顺控制方法对并联机构进行研究显得尤为重要。本研究围绕电液并联机构,开展运动学和动力学的分析,并基于阻抗控制理论,提出了一种面向环境交互的主动柔顺控制策略。该策略对传统阻抗控制方法进行优化,增强了并联机构在多种环境条件下的柔顺适应能力。具体的研究内容包括: (1)采用牛顿-欧拉法和凯恩法在平台的广义坐标系中建立并联机构的动力学模型。之后,对电液并联机构的液压驱动系统进行细致的建模推导,将不同部分的建模结果整合,形成电液并联机构的完整动力学模型。 (2)将模糊控制器引入到PID算法中,用于在线确定PID控制器的比例、积分和微分参数,并实现参数的实时调整。据此,设计模糊PID控制策略,并将其应用于电液并联机构的运动控制,为并联机构的柔顺控制策略打下基础。 (3)针对电液并联机构整体动力学模型,运用阻抗控制外环包容位置控制内环的控制策略进行研究,完成传统阻抗控制器的设计,明确传统阻抗控制策略所适用的范围和不足。在此基础上,依据Lyapunov稳定性理论,设计自适应阻抗控制策略,增强系统对环境变化的适应性和抗干扰能力。 (4)设计电液并联机构的机械结构、液压系统、数据采集与控制系统,为实验提供了平台依托,针对论文理论分析和仿真研究结果进行实验研究,进一步验证所设计的位置控制策略和阻抗控制策略的有效性。具体包含:位置控制实验研究和改变目标阻抗参数的实验研究。

关键词： 打磨机器人   S曲线   输入整形器   模糊PID   模态分析  

摘要： 随着工业科技的不断进步和制造业的快速发展,零件的设计逐渐朝着大尺寸、高纵横比和复杂结构的方向发展。打磨工艺作为零件加工的最后一道工序,决定了产品表面质量。近年来,为能在提高生产效率和工作质量的同时降低操作风险与成本,制造企业致力于采用工业机器人代替生产工人完成金属焊缝磨抛工作。工业机器人具有高度的自动化和精确性,可进行连续磨抛作业,提高了生产效率和工作质量。此外,机器人作业具有较低的操作风险,解决工人的安全和健康问题。因此,本文设计了一种悬臂式焊缝打磨机器人以适应不同尺寸工件的表面磨抛作业。 首先,本文设计并搭建了悬臂式焊缝打磨机器人机械结构。针对立方框架外表面自动打磨的要求,通过对比六自由度工业机器人、龙门架机械臂与悬臂式机械臂的优缺点,本文采用了悬臂式机械臂连接,并设计主轴调节机构传动方案,实现被动柔顺力控制末端装置的组成,最后完成驱动器电机选型计算。随后基于改进D-H方法建立了机器人运动学模型,在正运动学求解的基础上,分析所设计机器人的工作空间,验证了机构设计的合理性。 其次,本文构建了机器人控制系统并展开前馈抑振方法研究。首先设计了PC+PLC上下位机的控制系统硬件架构,实现软件模块的设计,并完成相关硬件选型;最后依据自动打磨系统的功能需要,上位机在Qt环境下实现多线程控制数据交互,下位机基于周期与中断程序规划打磨流程。对悬臂式机器人前馈抑振方法进行研究,分析机械臂柔性关节振动频率与结构参数关系,得到系统振动频率随位置参数变化规律。根据悬臂式机器人固有频率分布特性设计不对称S曲线,计算实现零振动、零振动微分、极不敏感输入整形器,为后续焊缝切向打磨轨迹柔顺提供理论支撑。 然后,本文设计了打磨过程的主动柔顺力控制方法。首先建立传统打磨力方程,基于机器人刚度不足问题,通过打磨实验结果分析,设计改进的机器人打磨力方程,并对力被动柔顺装置的实现进行分析。其次,设计离散位置型PID控制器,针对打磨过程非线性时变特性,进一步设计模糊自适应PID控制器实现对力的柔顺控制。 最后,对本文的理论方法进行仿真与实验验证。从切向前馈抑振和法向主动柔顺力控制两个角度展开实验。仿真验证了前馈控制的抑振效果与鲁棒性。对机器人进行锤击模态分析,得到了固有频率与位置参数的线性关系式,将匀速、S曲线与EI整形器输入的系统加速度响应进行对比,通过实验得出不对称S曲线前馈控制方法在悬臂式机器人振动抑制上具有良好的抑振效果与鲁棒性。仿真结果表明模糊PID在外力扰动与噪声干扰下拥有更好的动态响应与稳定性。对Q235回型钢进行表面打磨对比实验,结果表明,模糊PID恒力控制方法在非线性时变的打磨力控制系统中有良好的力跟随性能,证明所设计自动打磨机器人系统满足打磨需求。

关键词： 受限空间   柔顺交互   轨迹跟踪   受限李亚普诺夫函数   神经网络  

摘要： 随着“工业4.0”的到来,制造业的转型升级已经刻不容缓。现如今,机器人控制领域已经成为中国制造的热门研究方向,备受重视。但是由于在多元化生产过程中,机器人系统常常受到各种约束的限制,如输入输出约束限制和状态约束限制等。因此,机器人在受限空间中的柔顺作业能力亟待提高。机器人与环境柔顺交互的前提是通过控制机器人关节力矩实现对期望轨迹的精准跟踪,关键是通过算法自适应调节阻抗参数使得机器人对环境表现出柔顺性。本文一方面设计了关节受限轨迹跟踪控制器,主要解决传统轨迹跟踪控制器关节约束问题,扩大了机器人运动控制的工作场合;另一方面,设计了高效、性能良好的机器人与环境交互控制器,重点解决机器人与环境交互过程中阻抗模型获取不准确的问题。具体来说,本文开展了以下研究工作: 1.首先通过利用改进D-H参数法和拉格朗日法,结合机器人物理参数建立了机器人的正逆运动学和动力学模型,并且根据交互过程中力与位置关系建立机器人与环境的交互模型。其次,对现有可以有效解决受限空间约束和非线性问题的对数型受限李亚普诺夫函数和神经网络基础理论进行了简要概述。最后,设置了三组不同交互环境下的仿真实验,结合实验结果分析阻抗模型中刚度、阻尼以及质量三个阻抗参数对机器人与环境柔顺交互的影响。 2.针对带有输出约束和角速度信号未知的机器人系统,借鉴受限李亚普诺夫函数能够约束状态变量的特性,在第三章提出一种基于高增益观测器的位置约束机器人控制策略。所提控制策略首先通过设计对数型受限李雅普诺夫函数,将系统位置误差约束在受限空间内;然后引入高增益观测器预测机器人输出状态,增强了机器人的适用性,提高了系统的鲁棒性。实验结果表明,所提出的轨迹跟踪策略可以在受限空间环境下实现机器人快速、准确的跟踪期望轨迹,且保证了机器人各个关节在指定受限空间下运动。 3.针对机器人与受限环境交互时,存在阻抗模型参数不确定和系统动态性能以及力跟踪性能差的问题,借鉴神经网络控制利用先验信息逼近最优控制器的机理,在第四章提出一种基于神经网络自适应的变阻抗控制策略。首先,所提控制策略通过利用策略迭代学习实现机器人变阻抗控制;其次将神经网络嵌入至变阻抗控制,设计基于力误差的机器人与环境交互损失函数,从而自适应地实现调节阻抗参数,最终实现机器人与受限环境良好的交互;最后仿真和实物实验表明,机器人与受限环境交互过程中,所提柔顺策略能够提高系统的动态性能和稳态性能。

关键词： 机器人磨抛   主被动柔顺控制   阻抗控制   传感器融合  

摘要： 随着智能制造理念的不断深入,我国制造业迎来数字化、智能化的转型升级,而磨抛作业作为生产制造过程中不可或缺的环节,需要更加高效、智能的方式来完成,特别是对于复杂曲面工件的磨抛,仅靠机器人的位置控制已无法满足其磨抛需求,为了实现对复杂曲面工件的高精度恒力磨抛,本文开展了机器人与砂带机磨抛技术研究,将机器人主动柔顺控制与砂带机被动柔顺控制结合,分别对复杂曲面工件磨抛中遇到的接触振动问题以及对期望力的稳定跟踪问题进行分析解决。本文的主要工作内容如下: 1、搭建机器人主动柔顺平台,并介绍各个组成部分及作用,对在磨抛中所要用到的工具坐标系进行标定,以及对传感器的相关参数进行标定。针对机器人在磨抛过程中的恒力控制问题,建立基于位置的阻抗控制模型实现机器人主动柔顺控制效果,并通过自适应阻抗算法改善机器人在面对未知环境中的鲁棒性,提高力控精度。 2、砂带机被动柔顺改造,针对在打磨过程中因打磨工件与打磨环境接触时产生的振动问题设计了被动柔顺砂带机,用砂带机结合一维力传感器设计了基于阻抗控制的被动柔顺砂带机,通过调节刚度系数来达到提升砂带机柔顺性的目的,从而减小接触时产生的振动。 3、将机器人主动柔顺控制与被动柔顺控制结合,分析一维力传感器与六维力传感器的测量数据,通过多传感器自适应加权融合算法对不同传感器的数据进行融合,从而进一步提高磨抛系统对接触力的测量精度以及磨抛过程中的稳定性。 4、用本文提出的机器人与砂带机主被动柔顺控制策略进行实物磨抛,并分别对比了基于位置控制的机器人磨抛、基于阻抗控制的机器人磨抛、基于自适应阻抗控制的机器人磨抛方法,分析在磨抛过程中法向力的控制精度与稳定性,验证本文所提出的机器人与砂带机主被动柔顺控制策略的有效性。

关键词： 协作机器人   视觉伺服   柔顺控制   视觉导纳   自适应滑模控制  

摘要： 使用协作机器人辅助大型飞机薄壁组件的精准装配任务可以提高飞机整体的装配精度,同时降低人工参与度,提高生产效率。在对飞机薄壁组件装配时,协作机器人会对组件表面施加压力。当压力超过一定阈值,压力会对飞机的薄壁组件产生不可逆的损伤。因此,本文对协作机器人与薄壁组件表面的力接触问题进行研究。大型组件装配环境需要组件有较高的定位精度,因此本文采用视觉伺服的方案实现对机器人位置的控制。考虑到视觉和力是两个性质的物理量,需要设计控制算法实现对两个控制量的同步控制。在实际环境中,机器人易受到噪声的影响,需要提高机器人控制的鲁棒性。因此,本文以SD7-700桌面协作机器人为样本对基于视觉伺服的协作机器人柔顺控制进行研究,主要内容如下: (1)通过对SD7-700协作机器人结构分析建立其运动学和动力学模型,并基于相机投影关系推导出视觉伺服闭环,并建立了力视觉并联控制算法,使用仿真验证了该算法的有效性。 (2)建立基于视觉投影的机器人视觉动力学模型,并推导出交互力在视觉空间的质量弹簧阻尼模型。然后,提出了积分型控制率来构成视觉导纳模型对机器人力交互进行控制。最后,建立了视觉导纳PD控制器,并仿真验证视觉导纳控制器的性能。 (3)针对外界噪声,提出了基于泄漏积分的自适应滑模控制算法来降低外部噪声对机器人控制的影响。为了处理扭矩饱和问题,提出了使用辅助动力学模型来延后补偿扭矩输出。然后,使用李雅普诺夫方程分析了该算法的稳定性和收敛性。最后进行对比仿真验证了该算法的优越性。 (4)搭建了基于SD7-700桌面协作机器人的视觉力控制实验平台,根据物理样机及实验需求,搭建实验硬件平台,编写配套软件程序。随后进行了视觉轨迹与接触力信号同步追踪的实验,实验结果表明本文提出的控制算法有更好控制精度,对噪声和不确定性的鲁棒性更强。

关键词： 踝关节康复   并联机构   人机耦合   生物力学   柔顺控制  

摘要： 踝关节在运动中极易发生损伤,且脑卒中和中风等疾病也会导致踝关节功能障碍,其治疗康复问题迫切需要解决。踝关节康复机器人可有效辅助患者完成恢复,但其缺乏康复过程的人体生物力学信息反馈,且人机交互安全性考量不充分。本文基于生物力学与柔顺控制技术,结合3-UPU并联踝关节康复机器人展开研究,对康复机器人与人体肌肉-骨骼所形成的人机耦合系统进行建模并分析,主要研究内容如下: 首先分析总结了踝关节康复机理与OpenSim生物力学软件的关键建模技术,基于经典肌骨模型与动作捕捉技术,通过缩放得到了与受试者身体特征保持一致的特异性肌骨模型。对模型进行了参数优化与运动学和动力学验证,并根据踝关节轴线理论对模型踝关节部位进行修正。 然后完成了受试者踝关节跖屈\背屈、内翻\外翻康复动作对应高参与度肌肉选取,采集肌电信号与运动轨迹并进行处理。根据经典Hill肌肉理论建立了踝关节肌肉肌腱激活动力学模型,并结合肌电信号与OpenSim所建人体肌骨模型完成康复动作对应肌肉的肌肉力求解,搭建了融合特异性肌骨模型的个体关节刚度解算系统。 之后建立3-UPU并联踝关节康复机器人动力学模型,并基于整体实验法完成了模型参数辨识。结合关节刚度与人机交互力设计了柔顺控制器,并通过Simulink仿真完成了柔顺控制效果的分析验证。 最后在OpenSim软件中建立人机一体化模型,搭建了联合控制仿真平台,执行人机耦合系统动态仿真获得人体生物力学信息变化,进行了康复机器人安全性、舒适性和功能性等人机交互性能验证。通过样机实验验证了人机耦合系统康复仿真结果的准确性,并使用Unity软件设计了相匹配的体感类虚拟康复游戏。