关键词： 起落架   着陆运动   阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 起落架在直升机的起降过程中扮演着重要角色,其直接影响飞机降落过程中的缓冲效果以及支撑机体的稳定性,而作为全地形式的直升机起落架,控制系统对其着陆时的性能表现至关重要。目前大部分能够自适应地形的起落架在依据地形调整完起落架的姿态后会进行姿态的固定,随后依靠机械结构被动的吸收冲击力,这将对起落架结构的可靠性,运动控制的协调性和稳定性造成不利影响,并大幅度折扣了起落架的缓冲性能。为了有效降低起落架在着陆过程中的足端冲击力和提高起落架的着陆缓冲性能,本文设计了一种具有地形适应能力的起落架,并通过研究该起落架的运动学特性和对其质心运动轨迹的规划,探究起落架腿部与地面接触时的柔顺控制策略,实现起落架着陆的柔顺性。主要研究内容如下: (1)根据全地形式直升机起落架的降落流程与性能要求,设计起落架结构并建立相应数学模型。通过对起落架的运动学分析,建立起落架单腿传动的数学模型,得出电机转角与起落架各支腿末端位移之间的函数关系,同时得到单腿垂直方向位移的范围;将起落架的单腿系统简化为“质量-弹簧-阻尼”模型,分析确定单腿系统的质心位置以及整机的质心位置,研究起落架着陆过程并规划起落架着陆缓冲时各支腿的质心运动轨迹。 (2)基于阻抗控制的思想和起落架各支腿系统的运动特点,设计了一种以位置为内环、阻抗为外环的柔顺控制方法。对比分析了不同的柔顺控制方法,确定将基于位置阻抗控制的控制策略应用于全地形起落架腿部的柔顺性控制,并结合规划的着陆过程起落架质心的运动轨迹,建立起落架着陆的柔顺控制系统。 (3)建立起落架的三维模型、柔顺控制模型和搭建试验平台,进行运动控制仿真与试验。利用Adams-Simulink进行联合仿真,对比分析起落架在没有柔顺控制时和有柔顺控制时的着陆缓冲运动表现,最后进行落地试验。结果表明,具有合理质心轨迹规划和基于位置阻抗控制的柔顺控制系统能有效减小起落架着陆时与地面接触的冲击力,使起落架系统在落地过程中能表现出较好的柔顺性。

关键词： 多源干扰   四足腿臂机器人   复杂地形   柔顺性  

摘要： 面向助盲出行的重大民生需求,本论文研究一种四足腿臂机器人的柔顺控制,旨在实现对盲人的顺应牵引。所提方案的主要思想是将四足腿臂机器人的控制问题分解为:1)解算牵引作业下牵引臂对四足躯干的力旋量;2)将所解算的力旋量视为作用于四足机器人的一类可量测的“干扰”,进而结合强化学习和模型预测控制研究其柔顺控制。论文的主要工作如下: (1)面向助盲牵引作业,设计了一种五自由度的机械臂,并基于所建立的正/逆运动学和动力学模型,给出了典型牵引作业下牵引臂对四足躯干的力旋量的解析表达,并通过仿真实验对设计和数学模型进行了验证。 (2)给定四足躯干质心的期望轨迹,针对具有四个轻质杆的躯干单刚体模型,考虑摆动腿和支撑腿末端运动约束、足端摩擦锥约束以及关节限位约束等,提出一种对角步态下基于模型预测控制的四足机器人全身控制方法,实时求解满足全部约束条件的关节力矩。通过仿真实验验证了所提方法的有效性。 (3)考虑机械臂执行特定轨迹作用于躯干的力旋量以及复杂地形所产生的干扰,综合运动柔顺性、跟踪性能及能耗等因素设计了奖励函数,进而提出了一种DPPO和模型预测控制相结合的四足机器人柔顺控制方案,实现了多源干扰下四足机器人在仿真环境下的运动控制。 (4)将所提出的DPPO和模型预测控制相结合的四足机器人柔顺控制策略部署在宇树A1四足机器人实验平台。真实环境下的绳系牵引导盲实验结果表明所提算法具有较好的地形适应性和抗干扰性。

关键词： Stewart并联平台   逆动力学控制   鲁棒控制   导纳控制   分数阶控制  

摘要： 在中国制造2025和工业4.0的产业政策影响下,我国制造业的产能日益增长,产业自动化的需求也愈发迫切,可移动式的装配机器人工作空间大、柔性高,更符合现代工厂的应用需求。在当前的工业装配领域,串联关节式机器人的应用极为广泛。这类机器人以其灵活性和适应性著称,但它们通常存在一个显著的局限性:其承载能力相对较弱。因此,串联关节式机器人主要适用于轻型或小型工件的精密组装作业。相较之下,并联机器人则展现出一系列互补的优势:这类机器人能够轻松承担较重的负载,使其在处理大型或重型组件时显得更为得心应手。其结构特性和性能优势使其在工业装配领域,特别是对于要求高负载能力和高精度定位的应用场合,成为一个极具吸引力的选择。因此研究并联机器人适用于各种应用场景下的控制方案具有极其重要的意义。本文以经典的Stewart并联机器人为主体搭建了实验平台,设计了可以用于实现高柔顺性、高实时性的分数阶可变阻尼导纳控制(FVDAC)以及基于Stewart并联平台逆动力学的鲁棒控制。对该控制系统进行了对应的仿真,同时也进行了上述两种控制方案实际效果的实验验证。最后还进行了舱段对接的实验,验证了所提方法在实际应用场景中的可行性。本文的主要研究内容如下: (1)对Stewart并联平台进行了精确的运动学建模,利用数值迭代法完成了正运动学的解算,同时利用了其与逆运动学的互逆性,进行了正运动学求解的验证。 (2)利用Newton-Euler法对Stewart并联平台进行了动力学建模,为实现精确建模,对并联平台进行了细致的拆分,分别对电动缸的伸缩杆、缸筒以及动平台建立动力学模型,最后建立整体的多刚体动力学,并进行了仿真与实验验证。同时在逆动力学控制的基础之上引入了鲁棒性成分,通过实验验证了该方法可以极大的提高对Stewart平台的控制稳定性。 (3)在传统的导纳控制基础之上,引入了分数阶控制以及变阻尼矩阵,实现了Stewart并联平台的高实时性、高柔顺性的主动柔顺控制,并对所提的改进方案进行了实验验证。 (4)利用实现的主动柔顺控制进行了并联机器人人机协作式的舱段对接实验,证明了所提方法在实际应用场景下的可行性与有效性。

关键词： 机械臂   柔顺控制   有限/固定时间稳定性   轨迹跟踪   模糊自适应控制  

摘要： 近年来,机械臂在复杂环境中执行较为困难的接触式任务时,仅依赖单一的位置控制已无法满足机械臂的柔顺控制需求。因为当机械臂与外部环境接触时会产生接触力,接触力太大会影响机械臂的柔顺性和稳定性;而接触力过小则会导致机械臂无法顺利完成预期任务。因此,机械臂需要在确保自身拥有足够柔顺性和稳定性的同时顺利完成任务,阻抗控制和轨迹跟踪控制则是实现这一目标的关键。轨迹跟踪控制可以让机械臂精确完成给定任务,而阻抗控制则可以根据接触力的大小对机械臂进行位置控制,使机械臂做出柔顺动作,从而提高机械臂的柔顺性。 此外,复杂的工作环境中存在着各种干扰,在这些干扰的影响下,会使机械臂控制系统出现跟踪精度低、收敛速度慢等问题,这些问题的研究对机械臂柔顺控制的发展至关重要。因此,本文以柔顺控制策略中的阻抗控制为基础,结合有限/固定时间控制理论,对机械臂的轨迹跟踪进行研究,主要研究内容如下: (1)以双连杆工业机械臂为研究对象,建立基于改进型DH参数法的运动学模型,并对机械臂的正运动学和逆运动学进行了详细推导,使用MATLAB中的机器人工具箱(Robotic Toolbox)对机械臂进行了运动学建模,以检验用DH参数法建立的机械臂运动学模型的准确性,并验证了机械臂正运动学和逆运动学推导结果的正确性,最后分别采用数值法和Monte Carl法对机械臂工作空间进行可视化仿真分析,为后续柔顺控制研究提供基础。 (2)针对机械臂在复杂环境中进行柔顺控制时存在未知扰动影响导致跟踪精度差、柔顺性低的问题,提出了基于实际有限时间的双幂次滑模阻抗控制方案。首先,建立带有未知干扰项的机械臂动力学模型,并将机械臂动力学进行空间转换。然后引入滑模控制,提高系统响应速度,并结合阻抗控制和双幂次函数设计了双幂次滑模阻抗来控制机械臂末端的运动轨迹,将接触力转化为位置控制,提高了机械臂系统的跟踪精度和柔顺性。接着设计了Lyapunov函数证明系统是实际有限时间稳定。通过仿真对比实例,对所设计的控制方案进行了仿真验证,结果证明了控制方案的有效性。 (3)针对机械臂在受到关节摩擦等不确定因素影响下导致柔顺控制时跟踪误差高、系统收敛慢等问题,设计了一种基于模糊自适应滑模算法的固定时间机械臂阻抗控制方案,该控制方案首先建立了含有关节摩擦等不确定因素影响的机械臂动力学方程,并对关节摩擦力和其他不确定因素等非线性项进行补偿。通过模糊自适应控制对机械臂轨迹运动进行实时轨迹调整以提高控制精度。结合滑模控制,加快系统柔顺控制的响应时间和提高系统的鲁棒性,然后将阻抗控制、模糊自适应控制和滑模控制组成复合控制方案,并设计合适的Lyapunov函数,证明了系统是实际固定时间稳定。最后的仿真实例和对比实验表明,该柔顺控制策略能有效提高机械臂柔顺性以及鲁棒性。

关键词： 腕指一体化康复机器人   结构设计   柔顺控制   交互控制  

摘要： 随着我国人口结构变化，老龄化给社会医疗带来许多挑战。在老年群体中，脑卒中是一种具有高发病率、高致残率的疾病，绝大数幸存患者都存在运动功能障碍。其中，腕指关节受损会严重影响日常生活，因此需要进行系统性的康复治疗。相较于传统康复治疗中，治疗师长时间一对一康复治疗，机器人则可以解决康复治疗医疗资源紧张的问题。现有的康复机器人绝大多数只能实现腕关节和指关节单一训练，并且训练形式固定，人机交互性能差，无法满足患者康复训练需求。本文以治疗师康复运动手法为基础，结合患者治疗需求，提出一种腕指一体化康复机器人，为脑卒中患者康复治疗提供新技术和新方案。　　首先，本文根据上肢生理结构和运动特性，建立手臂运动模型，以确定腕指关节主要康复动作。结合康复理论和治疗方法，了解对应康复动作训练细节。分析关节运动肌肉组成，认识运动的生物学机理。通过上述医学分析制定机器人的设计需求，并给出整体技术方案。明确结构设计原理及方案，依据相关设计理论进行机器人结构设计，并在SolidWorks中建立机构模型。基于结构设计中的硬件布局，结合相关医疗器械规范和控制需求，从供电、电机驱动以及传感器入手，进行电子元器件的选型设计。通过移动平均值滤波和卡尔曼滤波算法，对硬件系统采集的原始数据进行平滑和降噪处理，再利用 MATLAB 软件编写滤波算法，结合模拟信号验证滤波算法具备可靠的数据处理能力。　　接着，对腕指康复机器人柔顺控制系统进行研究。分析电机底层PID控制不足，提出模糊PID控制。在此基础上结合设计需求，分别设计基于模糊PID控制器的位置控制，基于阻抗控制器的力矩控制以及跟随控制。利用Simulink模块搭建的控制模型进行对比仿真，验证位置控制、力矩控制以及跟随控制能够实现柔顺控制。并结合三种控制方法制定康复训练控制策略。　　然后，分析机器人控制系统输出，结合设计需求，制定创新型交互控制系统设计方案，在柔顺控制外环引入以患者主观操作为主导的交互控制闭环。基于模糊理论搭建人机交互模型以识别患者状态，使用C++Builder和Unity3D开发平台设计上位机和下位机软件，并在虚拟交互场景中添加交互模型，实现基于多信息反馈的训练引导功能。再通过模拟信号实验，验证交互系统拥有准确识别的能力。　　最后，搭建机器人实验平台，进行功能测试，对机器人柔顺控制和交互控制系统进行验证。通过对比实验，证明本文设计的康复机器人控制系统具备一定的柔顺性和人机交互性能。

关键词： 机器人装配   阻抗控制   碰撞检测   拖动示教  

摘要： 在“柔性化,小批量”的零件装配场景中,机器人装配相比于人工装配具有精度高、一致性好的优势。但传统固定轨迹的机器人装配策略存在轨迹生成耗时、轨迹选择指标模糊、装配柔顺性不足的问题,鉴于此,本论文提出了一种机器人柔顺装配策略,从拖动示教方法、轨迹评价方法、柔顺装配方法与柔顺装配系统集成与应用验证四个方面展开研究。主要研究内容包括: 针对轨迹生成耗时的问题,本论文基于阻抗控制设计了零刚度的轨迹拖动示教方法。完成了机器人动力学模型和阻抗控制方法的推导,并使用李雅普诺夫定理证明了方法的稳定性。简化了轨迹生成过程,降低了装配场景改变时的前期准备时间。 针对轨迹选择指标模糊的问题,本论文基于系统能量和频域信息设计了轨迹评价方法。为装配轨迹评价过程提供了灵敏且准确的统一标准,实现了对小于7N的刚性碰撞的检测,并且可以识别碰撞和拖动示教的区别,相比于使用接触力或单一频域信息作为检测方法,有效避免了误检测和漏检测现象的发生。 针对轨迹复现过程柔顺性不足的问题,本论文采用了基于阻抗控制的柔顺装配方法,并依据实际位置与目标位置的距离,进一步设计了非线性变阻抗控制律,对工件装配误差进行补偿。实验结果表明,对比线性变阻抗控制律,本论文提出的方法最大装配力平均减小9%,位置跟踪误差平均降低6%,并基于李雅普诺夫定理证明了系统的稳定性,保证了轨迹复现过程的安全性。 基于QT应用程序开发框架构建了机器人柔顺装配系统软件,设计了拖动示教、轨迹评价、机器人装配轨迹复现模块。并且以PCB模块、典型轴孔零件以及飞机角片为对象,开展了机器人柔顺装配验证实验,充分验证了本系统在不同装配场景下的适用性和有效性,为高质量柔性制造提供了保障。