关键词： 下肢康复机器人   柔顺控制   多电机协调   动力学仿真  

摘要： 老龄化带来了巨大的社会问题,主要表现在老龄化助老服务问题上,尤其是老龄化医疗服务问题。脑卒中,也称为“脑中风”主要发病于老年人群体,是我国居民的主要致残致死原因之一。康复训练是脑卒中患者回归健康的重要手段,同时,“早介入,早治疗”是提升脑卒中患者康复效果的基本原则。然后,由于治疗师数量有限且治疗师临床经验水平不一致,无法满足脑卒中患者康复训练需求。康复机器人的出现为减轻治疗师负担、提升康复训练效果一致性提供了新的解决方案。本文针对脑卒中患者早期康复训练需求,提出开发一种利用多电机协调柔顺控制技术的下肢康复机器人,为脑卒中卧床患者“早介入,早治疗”提供新型的训练手段。首先,本文对治疗师和患者的康复需求、人体下肢进行运动及人体下肢各关节的运动方式和运动角度进行详细介绍。为了深入了解人体下肢的运动机理,对人体下肢肌肉肌力的产生机理进行了分析,并在此基础上对人体下肢肌肉进行数学建模,基于肌肉希尔模型建立人体下肢膝关节肌肉建模,为卧床患者下肢康复训练环境仿真打下基础。其次,对坐卧式下肢康复机器人的结构和机械原理进行介绍,之后应用D-H矩阵法对下肢康复机器人进行运动学分析,再使用拉格朗日法进行机器人动力学分析,为机器人控制打下基础。然后进行床边下肢康复机器人整机控制系统的设计,包括机器人控制系统的搭建、控制系统电气线路设计和软件程序与交互界面的设计。下肢康复机器人包括机器人本体和本体上的电机与传感器,电器柜和电器柜中的驱动器、CAN通讯、开关电源和PC等硬件设备。交互界面采用了基于C++语言的C++Builder软件进行设计,并使用该软件进行程序编写。再次,对下肢康复机器人柔顺控制策略进行研究,制定了多电机协调控制方案。对下肢康复机器人PID控制进行研究,在此基础上提出位置控制和力矩控制。研究了模糊PID控制和阻抗控制方法,并对阻抗控制进行了力/位置跟踪控制仿真实验。紧接着,基于以上的研究对下肢康复机器人进行仿真分析,使用Adams和Solidworks软件进行下肢康复机器人本体建模,之后进行Adams与Matlab联合动态响应特性的仿真。在Adams中的下肢机器人模型上搭建人体下肢肌肉希尔模型,并进行仿真实验,模拟了卧床患者的康复训练环境,仿真结果表明,机器人在进行康复训练时具有较好的稳定性和电机动态性能。最后,进行机器人康复训练实验,实验表明,本文的控制策略在下肢康复机器人上的应用具有较好的控制性能和一定的柔顺性,能够较好的进行康复训练。

关键词： 协作臂   上肢康复   参数辨识   柔顺控制  

摘要： 在脑卒中患者的康复治疗过程中,上肢运动障碍问题越来越常见,仅仅依靠康复医护人员难以应对繁重的物理康复训练任务。将机器人技术应用于脑卒中患者的上肢康复训练,可以大大减轻康复医护人员的工作强度,且能够有效满足日益增多的康复训练需求。本文针对采用协作臂牵引方式进行上肢康复治疗时,患者上肢相对于协作臂的最优康复位置、人机交互力预测及人机系统柔顺控制策略等问题开展研究工作,主要研究内容如下:(1)人机系统参数辨识与最优康复位置推荐。分析人机系统康复运动特征,在满足人体上肢基本康复运动需求的条件下,对人体上肢模型进行简化,建立了四个自由度的简化上肢运动学模型;通过对人机位置的规范化设计,基于协作臂沿设定轨迹的牵引运动,提出了上肢运动学参数及人机位置参数的辨识方法,并基于实际人机协作系统进行实验,对方法的有效性进行了验证;在人体上肢运动空间特性分析、协作臂灵巧度特性分析的基础上,提出了人机位置匹配度指标,对人体上肢相对于协作臂的最优康复位置进行了推荐。(2)基于牵引力反馈的人体上肢动力学参数辨识。采用拉格朗日方法建立简化上肢的动力学模型,提出了上肢牵引力驱动与关节力矩驱动的等效转化方法;建立了基于牵引力反馈的人体上肢动力学参数辨识模型,提出了一种改进的粒子群算法实现了对上肢动力学参数的辨识,并通过仿真与实际人机协同运动实验,对方法的有效性进行了验证,同时还将识别效果与传统粒子群算法及递推最小二乘算法的识别效果进行了对比分析。(3)基于协作臂的上肢康复人机系统柔顺控制方法研究。基于阻抗控制方法建立了人机协作柔顺控制模型,并利用简化上肢动力学模型对阻抗模型中的人机交互力进行了预测,分析了阻抗参数对所建立的柔顺控制系统的影响;结合BP神经网络方法对传统的阻抗控制方法进行了改进,优化了阻抗参数的选择,并对方法的有效性进行了验证。

关键词： 外肢体机械臂   轨迹规划   柔顺拖动   阻抗参数优化  

摘要： 在核工业、航空制造、建筑工程等领域,任务的工作空间通常十分狭小,危险性极高且任务复杂。传统机器人在这些因素限制下显得力不从心,而单纯人工操作则容易导致效率低下和工人身体损伤。因此,外肢体机器人（Supernumerary Robotic Limbs,SRL）成为了一种有效的解决方案。作为穿戴式人体辅助设备,外肢体机器人可以帮助穿戴者完成支撑和搬运等任务,增强单人操作能力和作业范围,因此在航空、医疗、建筑和军事等领域拥有广泛应用前景。本文以外肢体机械臂为研究对象,围绕机械臂的轨迹优化和柔顺拖动展开研究。首先,对外肢体机械臂的结构进行分析,采用改进的DH参数法对其进行运动学建模,完成正逆运动学方程的推导。随后,在CoppeliaSim中搭建机械臂仿真模型,并用MATLAB机器人工具箱验证运动学模型及正逆运动学求解的正确性。同时,采用蒙特卡洛法确定外肢体机械臂的工作空间范围,为后续的轨迹规划和控制提供基础数据。以缩短系统运行时间为目标,对外肢体机械臂关节空间轨迹规划进行了优化。在最大运行速度限制下,为保证机械臂运动轨迹的平滑性,采用3-5-3分段多项式对关节空间轨迹进行插值,并结合改进的白鲨优化算法将插值时间缩短,实现了关节空间轨迹的优化。在CoppeliaSim和MATLAB软件中完成仿真实验,验证了外肢体机械臂轨迹优化算法的有效性。考虑到外肢体机械臂在柔顺拖动这一应用场景下的需求,本文通过比较现有的柔顺控制方法,采用基于位置的阻抗控制方式来实现机械臂的柔顺控制。结合仿真模型,分别对影响阻抗控制效果的阻抗参数,即惯性系数Md、阻尼系数Bd和刚度系数Kd进行分析。针对阻抗参数寻优的问题,采用白冠鸡优化算法优化阻抗参数。在MATLAB/Simulink中搭建机械臂阻抗控制系统,验证了该算法在阻抗参数寻优方面的有效性。最后,搭建了基于Auboi5机械臂的实验平台,开展了机械臂轨迹优化实验和柔顺拖拽实验。轨迹优化实验验证了改进的白鲨优化算法对机械臂关节空间的时间优化方面的有效性;柔顺拖拽实验验证了白冠鸡优化算法对基于位置的阻抗控制的阻抗参数寻优的有效性。

关键词： 苹果采摘机器人   末端执行器   柔顺控制   抓取规划   自适应变阻抗控制  

摘要： 中国是全球苹果产量最高的国家,目前主要以人工采摘完成苹果收获作业,存在劳动强度大、人工成本高的问题。苹果采摘机器人作为一种全新的农业生产方式,能够实现自动化采摘,可有效提高采摘效率,降低人力成本。然而,苹果的果皮和果肉组织相对脆弱,在机器人采摘过程中,由于末端执行器抓取动作的不稳定和柔顺性欠佳等因素,容易引起果实损伤,从而影响收获质量。因此,提高末端执行器抓取动作的柔顺性以及稳定性,对减少苹果损伤,实现无损采摘具有重要意义。本文将从末端执行器的被动柔顺功能提升、主动柔顺控制策略改进两个方面出发,围绕末端执行器设计、稳定抓取力求解以及柔顺控制策略改进等方面展开研究。本文的主要研究内容如下:(1)基于苹果的生物特性研究,设计了末端执行器。首先,对苹果的形态结构、力学特性和果梗剪切力学特性进行研究,总结苹果的采摘特点和末端执行器设计的功能需求。然后,以上述研究结果为依据,设计一款适用于苹果采摘的末端执行器。末端执行器的设计工作包括夹持机构、剪切机构、驱动单元和传感器系统的设计。最后,建立末端执行器的数学模型,为主动柔顺抓取控制提供理论基础。(2)改进稳定抓取时的约束条件,构造了末端执行器最小稳定抓取力优化模型。首先,建立末端执行器与苹果之间的抓取约束模型,分析稳定抓取时的力约束条件。针对摩擦锥边界值引起的不稳定状态,引入抓取稳定性评价指标,对摩擦锥的约束边界进行修正。然后,构建最小稳定抓取力优化模型用于稳定抓取规划,并使用线性化梯度流算法实现模型求解,从而获得满足抓取稳定性的期望抓取力。最后,利用MATLAB对抓取实例进行仿真分析,验证抓取力优化模型的可行性。(3)设计了基于改进自适应变阻尼阻抗控制算法的末端执行器柔顺抓取控制方法。首先,通过介绍基于位置的阻抗控制原理,建立了考虑环境接触的阻抗模型,并分析阻抗参数对阻抗控制器的性能影响。针对环境信息的不确定性导致抓取动作柔顺性不佳的问题,本文引入时变的阻尼参数,对传统的基于位置的阻抗控制策略进行改进,提出变阻尼参数的自适应阻抗控制方法。基于抓取力的偏差,通过设计一种自适应控制率对阻尼参数进行调整,以实现系统对抓取环境变化的自适应性,提升抓取控制的性能。最后在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,对设计的自适应变阻尼阻抗控制方法进行仿真,并分别在环境信息固定和变化的场景下与传统阻抗控制方法进行对比,实验结果表明自适应变阻尼阻抗控制方法在柔顺性以及抗干扰能力方面的表现更佳。(4)完成末端执行器控制系统设计,并构建采摘实验平台进行实验验证。通过三组抓取实验对末端执行器的采摘性能、最小稳定抓取力优化模型的有效性以及自适应变阻尼阻抗控制策略的高效性进行验证。首先,使用所设计的末端执行器对不同大小、质量、生长位置的苹果进行抓取,统计采摘成功率、损伤率、所耗时间等实验数据,用以检验末端执行器的采摘性能是否满足设计要求。然后,在设置稳定性评价指标前后分别进行多次抓取实验,并统计稳定抓取成功率,验证所提优化模型的有效性。最后,采用传统阻抗控制方法和自适应变阻尼阻抗控制方法进行抓取实验,通过对比两组实验结果,对所提方法在控制精度、柔顺性和稳定性方面的控制性能进行验证。

关键词： 下肢外骨骼   人机交互   柔顺控制   康复评估  

摘要： 随着人口老龄化加剧及脑卒中发病率和致残率逐年升高,下肢行动功能障碍者的人数急剧增高。传统的康复训练方法需要患者在一个甚至多个护理人员的帮助下,进行高强度、高重复性的训练。由于脑损伤、脊髓损伤等因素导致下肢运动功能障碍的患者康复需求量大,专业康复医师数量却相对紧缺,导致很多患者不能得到及时的治疗。下肢外骨骼康复机器人的出现,减轻了康复医师的负担,提升了患者康复训练的效率。目前在该领域的研究已取得了一些突破和进展,但在人机交互的安全性、智能化和轻量化等方面仍需要重点被关注。针对人机交互时的安全性问题,对康复机器人进行柔顺控制的设计。患者进行康复训练时,康复机器人与患者下肢直接接触。当人机交互力矩突然增大时,容易对患者造成二次伤害。因此本课题对阻抗控制算法进行研究,通过设计自适应刚度与自适应阻尼控制律,实时调节机器人各关节运动的角度及速度,使其对外表现出等效柔性,保证患者的安全。针对人机交互的智能化问题,对患者康复情况进行量化。医学上常用的康复评估量表往往通过康复医师的主观判断,缺少客观的评价指标。因此本课题设计了基于足底压力异常检测的康复评估方法,通过支持向量数据描述算法对患者足底压力进行检测,根据异常数据的比例判断患者的康复程度,对患者康复情况进行量化,使康复医师和患者能够更直观的了解康复进展。针对人机交互轻量化的问题,设计小巧、轻便的人机交互系统。采用PC机作为人机交互系统的上位机,移动不方便且成本高昂。因此设计了基于Android客户端的人机交互系统,采用模块化的编程思想,构建了人机交互系统的功能框架,依次对各功能模块进行了界面的设计及功能的实现,并为处于不同康复时期的患者,设计了针对性的康复训练策略,减轻了康复医师的负担。搭建实验平台,对人机交互系统进行实验,验证系统的有效性与稳定性。

关键词： 工业机器人   稳定观测器   耦合交互   柔顺控制  

摘要： 随着技术的进步，协作自动化机器人已经成为一个全新的工业机器人，它可以打破传统的护栏或围笼的禁锢，充分利用自动化机器人的高精度特性和人类的经验，在智能制造领域发挥着重要作用，受到企业和科研人员的广泛关注。在执行任务中，操作人员根据自己的经验和判断，以最小的力引导机器人在预期的方向运动。这种人工引导的方式，大多采用可变阻抗/导纳控制，以保证顺从性和准确性之间的最佳平衡。然而，导纳控制中存在着一定的局限性，当导纳参数的值很小或当外界交互环境的刚度突然增加都可能导致系统的不稳定，这会使机器人出现高频的抖动，从而危害操作人员的安全、影响任务的执行。因此，本文设计了一种稳定观测器实时的观测当前机器人的交互状态，并在观测到不稳定后根据相应的柔顺控制算法来恢复系统的稳定，保证安全稳定的交互。主要研究工作如下：　　(1)对实验平台AUBO-i5机器人进行改进D-H法建模，并推导其相关的正运动学方程和逆运动学方程，以保证后续机器人的位置控制环能够根据笛卡尔空间的位置信息推算得到关节空间的位置信息使机器人运动。在后续的稳定观测器、人机交互以及环境交互等应用中都是基于力传感器数据运行的，需要较高的力数据精度，对力传感器进行相关的重力补偿十分重要。因此分析了力传感器的受力模型，并进行了相关数学推导和重力补偿实验，为后续的工作奠定基础。　　(2)针对导纳控制中存在的局限性，根据机器人稳定交互时和抖动时交互力的频率差异，设计了一种稳定观测器以实时观测当前交互状态是否稳定。并对传统方法进行了改进，消除了巴特沃斯高通滤波器和低通滤波器相位超前和延迟引起的误判问题。对人机交互、环境交互和耦合交互模型进行了分析，为后续变导纳控制算法的设计奠定基础。　　(3)基于稳定观测器和相关的交互模型，分析了不同导纳参数调整策略的优劣性，设计了人机交互、环境交互和耦合交互的变导纳控制算法。并确定了参数变化的稳定边界，以保证参数变化对鲁棒性影响在可控范围内。　　根据所述的研究内容，基于稳定观测器在不同的交互场景中验证了变导纳控制算法：在人机交互中，所提方法有效的避免了高、低通滤波器相位超前和延迟带来的误判问题，并对力噪声具有较高的鲁棒性;在环境交互中，所提方法相较于传统自适应算法，收敛速度不受初始环境刚度设置的影响，并且在外部环境刚度突然增加时依旧能保持系统的稳定运行;在耦合交互中，不需要建立复杂的环境交互模型进行人与环境交互力的解耦，所提方法能保证机器人从非接触阶段过渡到接触阶段的稳定。

关键词： 六轴机械臂   运动学   轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 如今随着我国自动化进程的加快,针对各种设备的维护要求也是越来越重要,某些以前只能用人工进行维护的设备的自动化逐渐被研究人员所关注,这些难以实现自动化的设备往往具有以下特点:首先是有一些设备体积较大,维护难度较大,没有完善的维护标准,其维护过程对个人经验比较依赖。其次是设备维护过程中存在一些轴孔等孔类需要进行装配,其要求自动化维护设备须具有柔顺型,最后这些设备往往使用的范围不广泛,另行开发针对该设备的维护设备其成本可能远高过人工成本,得不偿失。六轴机械臂是一种模仿人体手臂进行作业的机器人,相对于人工,六轴机械臂可靠性高、稳定性好、灵活度高、精度高且安全成本低,还具有一定的柔顺性,能很好地胜任对多种设备的维护任务,是解决特种设备维护自动化问题的首选。本文主要从以下三个方面对工业六轴机械臂对几类特殊设备维护过程中的作用展开研究:(1)由于工作环境的复杂度,选择具有高可靠性的六轴机械臂,完成六轴机械臂的运动学建模,求解出六轴机械臂的解析解。(2)针对滑雪跳台这一大型设备修整维护展开研究,其研究内容主要包括总结滑雪跳台这一大型特殊设备在维护过程中所表现的特点和难点,针对滑雪跳台的特点拟合出符合维护要求的特殊路径以及针对该路径规划出符合机械臂作业要求的轨迹。(3)针对某些设备维护过程中出现的轴孔装配的要求选取合适的柔顺控制方法,在避免机械臂与环境接触时发生无法恢复的损伤的情况下,完成轴孔装配的操作要求。

关键词： 工业机器人   恒力控制   曲面元件   柔顺抛光   迭代学习控制  

摘要： 抛光工艺对于提高零件表面质量有着重要作用,是零件加工过程中极为关键的一环,尤其对于各类曲面元件,由于其曲率的变化,对工序自动化程度要求进一步提高。近些年随着制造业的发展,工业机器人因其自由度高和特有的柔性优势,正广泛地应用于抛光加工过程中以替代传统手工方式。然而工业机器人也会因其各轴串联,开放性的限制带来力位耦合,响应速度慢的问题。因此,本文针对工业机器人与高精密力控末端执行器协同作业进行研究,实现两者优势互补,研发一套柔顺抛光系统。 首先,本文对曲面元件低频几何特征-表面曲率和中高频几何特征-表面波纹度和粗糙度的特点进行了分析,以Preston方程为理论依据,研究了曲面元件机器人抛光机理,并确定实现其柔顺抛光工艺的技术要求,进而完成机器人抛光总体方案的设计。 其次,搭建了曲面元件机器人抛光控制系统,对系统的硬件框架进行设计,选择直线电机和旋转电机为力控和抛光执行部件,选择多轴运动控制卡为末端力控抛光单元主控元件。对系统运行软件进行开发,完成多设备间的通讯以及各模块功能的实现,确保机器人和执行器协同运动的平顺性。 再次,研究了系统的柔顺控制策略,在对机器人运动学进行分析研究的基础上,完成机器人对曲面元件表面轮廓的姿态顺应控制,并对力控系统进行力学和电路分析建立其数学模型,设计结合迭代学习的力控制算法,对算法的收敛性进行了证明,并完成了机器人进给运动和力控算法的仿真分析以验证其有效性。 最后,完成曲面元件机器人抛光实验,根据设计制备执行器样机,在此基础上以曲面铝件为抛光对象,开展机器人路径跟踪实验,完成不同抛光阶段性能验证,系统力平均响应时间为55.4ms,力跟踪误差小于3N,跟踪效果良好,加工元件各点各方向表面粗糙度保持在Ra0.068)左右,加工效率为3.4108)*cm2/min,验证了所开发的机器人柔顺抛光控制系统的实际工作能力。

关键词： 下肢康复机器人   阻抗控制   滑模变结构   有限时间稳定   柔顺控制  

摘要： 随着我国人口老龄化程度不断提高,脑卒中的发病率逐年攀升。为改善国内康复资源短缺的问题,同时减轻康复医师们的工作压力,下肢康复机器人具有运动重复性及一致性强,训练模式丰富等优势,因此,逐渐成为国内外康复领域研究热点。考虑到下肢康复机器人面向对象为下肢功能障碍患者,所以实现安全有效的康复训练是下肢康复机器人的主要研究目标。本文针对处于康复后期的脑卒中患者的运动功能恢复问题,以下肢康复机器人为研究对象,以提供安全有效、柔顺舒适的康复训练环境为研究目标,基于阻抗控制方法设计控制系统,实现下肢康复机器人与人体下肢之间的协同运动。本文主要研究内容如下:(1)建立了人机耦合的下肢康复机器人运动学-动力学模型。以人体下肢舒适度为前提,基于人体解剖学剖析下肢骨骼-肌肉结构,并分析下肢康复训练运动特征,明确下肢康复机器人的控制需求和目标,合理简化后构建了人机耦合的下肢康复机器人运动学-动力学模型,为后续下肢康复机器人人机交互控制方法研究提供基础。(2)提出了一种下肢康复机器人阻抗控制器设计方法。为解决患者患肢肌肉异常活动而导致的人机对抗造成继发性损伤,基于阻抗控制原理,搭建闭环控制模型实现柔顺控制,通过对比实验验证了控制系统的优越性。根据李雅普诺夫稳定性原理证明了系统的稳定性,并设计了合理的指标对下肢康复机器人的运动性能进行评估,通过开展下肢康复训练平台实验,验证了所设计控制器的可行性和有效性。(3)设计了一种下肢康复机器人阻抗控制和滑模变结构组合控制策略。针对系统存在的未知干扰给控制系统带来的不确定性问题,将阻抗控制与滑模变结构控制结合,分析滑模变结构控制的不同运动模态解决抖振问题,对比趋近模态不同趋近率性能,设计了滑模阻抗控制器和非奇异终端滑模阻抗控制器,通过对比分析控制性能,证明了基于幂次趋近率的非奇异终端滑模阻抗控制器的优越性。(4)构建了有限时间稳定的下肢康复机器人阻抗控制系统。为提高控制系统的跟踪性能和稳态性能,设计了满足有限时间稳定的阻抗控制系统,基于李雅普诺夫原理证明了系统的有限时间稳定性,通过详细对比分析,选择合理的控制参数开展数值仿真实验和平台测试实验,结果表明该控制系统具有较高的稳态跟踪精度和较快的跟踪收敛速度,下肢康复机器人控制性能较为理想。