关键词： 柔顺机构   欠驱动夹持器   运动学建模   阻抗控制  

摘要： 在水果采摘、弱刚度零部件装配、不确定对象灵巧操作等领域,人工作业枯燥重复、劳动强度大,存在安全隐患,利用机器人代替人工作业是一种必然趋势。作为重要的机器人末端执行器,抓取机构可以实现采摘抓取、装配夹固、旋拧夹持等操作。传统的机器人抓取机构多为刚性机构,在上述操作过程中容易损坏水果表皮、弱刚度零部件与不确定操作对象。将依靠自身弹性形变实现运动、力或能量传递或转换的柔顺机构与欠驱动机构、低弹性模量材料相结合,可以设计出无刚性运动副、自适应能力强、柔性好的柔顺欠驱动夹持器,能够有效提升操作安全性。为进一步提升柔顺欠驱动夹持器的操作精准性、安全性与稳定性,需要对夹持器进行精准运动学建模与力位协同控制。然而,由于夹持力虚功的势能场作用,柔顺欠驱动夹持器存在多模式操作特性,显著提升了运动学建模与力位协同控制难度。针对该问题,本文对柔顺欠驱动夹持器的多模式运动学建模与优化自适应阻抗控制进行系统研究,主要内容如下: 首先,在两点夹持与包络夹持模式下,对柔顺欠驱动夹持器进行运动学建模。具体内容包括:对驱动单元进行运动学建模,建立夹持单元输入位移与电机转角之间的解析关系;在平行两点夹持与非平行两点夹持条件下,建立夹持单元的正逆运动学模型;在包络夹持模式下,假设被操作物体为圆柱体且圆心位于夹持器对称轴,对夹持单元进行正逆运动学计算;利用刚柔耦合多体动力学仿真,验证多模式运动学建模的有效性。 然后,在柔顺欠驱动夹持器的两种操作模式下,研究了基于最优控制的可根据环境参数调节跟踪模态的自适应阻抗控制。具体内容包括:分析基于力传感器的夹持模式识别方法;建立两点夹持模式下柔顺欠驱动夹持器可变跟踪模态的自适应阻抗控制模型,并分析控制模型的稳定性;研究将包络夹持模式下的力跟踪自适应阻抗控制转化为两点夹持模式下的阻抗控制的方法;在两种操作模式下,设计被夹持物体等效参数估计过程;基于夹持模式识别方法、多模式阻抗控制建模、等效参数估计和运动学模型,考虑鲁棒性,设计相应的控制策略;利用控制仿真,验证所提出的控制策略的有效性。 接着,分别搭建柔顺欠驱动夹持器多模式运动学建模实验验证平台和多模式夹持的可变跟踪模态自适应阻抗控制实验验证平台,对第二章建立的运动学模型和第三章提出的控制算法进行实验验证。此外,为了保证操作对象被夹持时其中心位于柔顺欠驱动夹持器的对称轴上,还对用于搭载夹持器的串联机器人进行绝对定位误差两步法补偿。

关键词： 工业机器人打磨   恒力控制   主动柔顺   自适应变阻抗   机器人末端执行器  

摘要： 为解决工业机器人打磨过程中存在复杂时变非线性耦合与不确定性扰动导致机器人柔顺恒力打磨自适应调节能力不足的问题,首先给出了一种可实现沿轴向平移与旋转运动解耦的力控末端执行器,其次设计了一种自抗扰控制器和一种粒子群神经网络变阻抗控制器分别作为内环控制和外环控制,在此基础上,提出了一种机器人自适应变阻抗主动柔顺恒力控制方法,用于在线自适应优化阻抗参数,动态调节打磨力修正量,实现机器人打磨作业自适应主动柔顺恒力控制。最后采用Lyapunov稳定性理论分析证明了所提出方法的闭环稳定性。通过机器人打磨系统虚拟样机联合仿真实验和机器人平台实物实验,验证了所提出方法的有效性。实验结果表明,所提方法能够较好实现静态与动态期望打磨力跟踪,减小了打磨力波动、力超调量以及打磨初期打磨工具处的冲击力,提高了打磨力控制系统抗扰动稳定性、恒力跟踪性能和动态响应能力,对复杂多变工况机器人打磨作业具有较强的适应性与鲁棒性。

关键词： 机器人抛光   柔顺控制   人机交互   抛光试验  

摘要： 工业机器人是制造业发展过程中不可替代的重要装备,文章设计了一种基于工业机器人的柔性抛光执行器,采用自主研发的电路板作为控制核心,对输出力、输出行程、倾角、工具重量等工作参数实现动态监测。利用C#语言,结合TCP/IP通信协议,设计并开发了上位机软件,实现了实时数据采集和人机交互。结合六自由度工业机器人搭建抛光试验台,进行了铝板抛光试验,验证了执行器的性能与实现。

关键词： 气动伺服系统   轨迹跟踪   柔顺控制   MIMO滑模控制   仿真验证  

摘要： 针对非线性气动伺服系统的轨迹跟踪和柔顺控制问题,采用MIMO滑模控制器实现气动系统多输出的跟踪控制。对气动伺服系统基于流量控制策略的动力学进行建模,将其状态方程转换为严格反馈系统形式;设计用于轨迹跟踪和内腔压力跟踪的双滑模面,基于传统的滑模控制率构造用于气动系统的双控制输入,实现气动系统控制器的设计。基于Simulink搭建控制仿真平台,仿真结果验证了控制器对系统多输出的有效跟踪控制。

关键词： 飞行机械臂   干扰观测器   终端滑模   导纳控制  

摘要： 针对飞行机械臂的接触作业问题,设计了一种基于干扰估计器的飞行机械臂非奇异终端滑模柔顺控制算法。该算法在非奇异终端滑模控制的基础下,引入干扰观测器,对系统的扰动进行估计,从而减小系统估计误差、机械臂的扰动以及外部扰动对飞行器的影响。最后,仿真实验结果表明,所提出的控制器具有较好的鲁棒性,可以减小系统估计误差、机械臂的扰动以及外部扰动,同时可以平稳移动下保证接触力的稳定。

关键词： PID控制   被动柔顺   机器人铣削   力波动  

摘要： 为了解决机器人铣削过程中存在力波动的问题,设计了一种被动柔顺装置并提出了一种基于被动柔顺装置的改进PID控制方法。柔顺装置安装于机器人末端,通过仿形轮、导轨和滑块的相对运动来达到沿着表面铣削的效果。改进的PID控制方法在参考信号之后引入二阶设定点滤波器,并设置合理的参数,首先在MATLAB/Simulink环境搭建模型,然后通过对比仿真实验证明该方法可以减少超调量的同时提高响应速度,并减少系统误差。随后,在Adams软件导入模型进行仿真实验,初步证明了该方法可以减少接触力的波动。同时,铣削实验进一步证明了该方法可以在铣削不同位置的表面的情况下均可减少仿形轮压力Fz的波动,压力极差减少0.5 N~0.6 N,方差减少15%~20%,并且铣削后的工件表面质量较好,证明了提出的方法的可行性。

关键词： 期望轨迹修正   主动柔顺控制   参数递归辨识   非奇异终端滑模控制  

摘要： 为了提高机械臂与环境交互时的接触力控制精度,提出基于期望轨迹修正的无传感器主动柔顺控制方法。针对传统参数辨识方法损失面函数鞍点多、易陷入局部最优、计算量大等问题,基于牛顿-欧拉法得到机械臂由外向内递归的参数辨识方法,该方法可实现参数的分步分批辨识;针对机械臂与环境交互时的主动柔顺控制问题,使用位置阻抗控制原理对期望轨迹进行修正,设计了参数不确定条件下的非奇异终端滑模控制;最后,基于Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。经实验验证,基于传统辨识方法的反算力矩累计绝对误差为9.35 N·m,递归辨识方法的反算力矩累计绝对误差为1.05 N·m,说明参数递归辨识精度远高于传统辨识方法;在位置阻抗控制作用下,接触力在2.8 s达到设定值,误差波动范围为±0.4 N。实验结果验证了所提主动柔顺控制方法的优越性。