关键词： 装车机器人   力/位置混合控制   滑模控制   阻抗控制  

摘要： 随着物流与科技的发展,快递和快消品等庞大的商品交易量也不断促使物流运输工具向高端智能设备发展。因此在大型快消品企业的立体仓库与其庞大的输出量需求增加时,国内外有不少的装车系统不断出现。现有针对某些特定货物进行专机设计,这类机构只能受限于某种特定货物及其特定的装车场景,如桁架式装车系统或特种装货卸货机等设备;另外,也有以常用工业机器人与移动平台结合来实现装车任务,但其装车效率以及实际车厢的空间利用率并不满足企业需求。在此情况下,可针对多规格重型快消品码垛的大负载装车机器人系统应运而生。本文研究对象为某一应用于调味品、饮料等大型快消品生产企业的长伸缩重负载装车机器人,其属于装车系统中的装车机构。由于该装车机器人在实际中载运多个重型快消品,以及可应用于不同规格大小的车厢或集装箱,使得装车机器人具有“长伸缩”和“重负载”两个特点;同时,也因这两特点使得末端执行器出现抖振、柔性差、动态性能差等问题。因此,本课题基于该类特种装车机器人,设计一种柔顺控制策略,来提高重型工况下机器人控制系统的控制性能与鲁棒性。论文主要内容如下:(1)首先对长伸缩重负载机器人机构进行分析,建立机构模型;通过改进型D-H方法建立装车机器人的正、逆运动学模型,以及利用矢量积法建立装车机器人的雅克比矩阵及其相关矩阵。通过Matlab进行验证并对装车运动进行运动规划的仿真。(2)根据拉格朗日动力学建模方法建立长伸缩重负载机器人的刚体动力学模型,并设计轨迹跟踪控制。最后通过Adams验证刚体动力学模型。(3)以力控制进行力前馈与PI控制情况下,对重要关节进行位置控制来实现力/位置混合控制。对位置控制设计滑模控制律,将双曲正切函数引入到幂次趋近律中,以提高系统的收敛速度和降低抖振;并加入基于力的阻抗控制来提高末端柔顺性。(4)由于伸缩臂在展臂运动中存在一定的形变,需对其进行柔性化处理。根据大臂与末端装载重型快消品比例来对应添加集中载荷,并进行仿真与实验。通过对滑模控制、阻抗控制和现场实验分析,证明所设计的柔顺控制降低装车机器人重载情况下的抖振及其频率,提高控制系统的动态性能,满足实际长伸缩重负载的控制性能需求。

关键词： 柔顺控制策略   模糊控制   PID   磨削力   磨削工艺参数  

摘要： 在航空航天、汽车等领域经常会遇到复杂曲面的磨削加工问题,复杂曲面形状复杂多变,不易于进行几何建模和加工路径规划,在进行磨削时,磨削轮与工件之间的接触面积很小,即使轻微的压力变化也可能导致工件表面的瑕疵,因此为了解决这些问题,需要采用高效的磨削方法和技术,并利用计算机模拟和控制技术来提高加工效率和精度。复杂曲面磨削恒力控制技术是指在曲面型磨削加工过程中,通过恒定的力控制系统,使得刀具与工件之间的相对位置和加工力度得以控制,以实现高质量、高效率的磨削加工。该技术相较于传统的磨削加工需要更高的控制精度和加工精度,需要采用更复杂的传感器和控制算法,相关的研究知之甚少。针对该现状,本文采取在磨削机构上安装主动柔顺装置的方式对复杂曲面磨削恒力控制技术进行研究,旨在保证复杂曲面工件表面加工质量的同时,提高磨削加工的生产效率。首先,设计了一种模糊控制和PID控制相结合的控制策略,并进行经典PID、模糊PID控制策略的响应仿真对比,验证了控制策略的可行性,然后,开展各控制策略基于磨削试验平台的控制响应验证实验。最后,基于不同工艺参数,对复杂曲面叶片的表面粗糙度进行测量验证。进一步验证了控制策略的可行性。全文研究内容如下:首先,通过分析磨削机构主动柔顺装置的设计要求,确定了主动柔顺装置的设计内容,对各控制元件和采集元件进行了选型并设计了系统控制结构框图。接着,推导了系统数学模型,开展系统模型辨识实验,得到了最佳系统辨识模型,进行了辨识系统稳定性分析。然后,通过Ziegler-Nichols经验公式法和Matlab/Simulink参数调节面板获取了最佳PID参数,通过分析模糊控制与PID控制相结合的控制策略的原理设计了模糊PID控制器,并将其与经典PID控制策略进行响应仿真对比,仿真结果表明:模糊PID控制策略较经典PID控制策略有更好的磨削恒力控制特性。最后,搭建了磨削试验平台,开展了基于恒力控制策略的复杂曲面叶片磨削加工试验,进一步验证了模糊PID控制策略的磨削恒力控制优势,开展了在不同工艺参数下,使用模糊PID控制策略磨削加工的复杂曲面叶片的表面粗糙度试验。试验表明:在该控制技术下磨削加工的复杂曲面叶片表面粗糙度能够满足工程应用要求。

关键词： 对偶四元数   冗余机械臂   不确定性和扰动估计器   滑模控制   柔顺控制  

摘要： 21世纪以来,我国老龄化程度不断上升,已经步入老龄社会。由于事故、疾病和人口老龄化等因素,上肢运动功能障碍患者的数量呈上升趋势,运动康复训练与日常护理的需求大幅增加。目前依靠治疗师所进行的运动恢复医疗服务效率低、可重复性差、信息处理能力弱,而通过机械臂辅助进行康复训练可以保证训练强度、效率和精度,提供个性化方案,增加患者主动参与感。在机械臂辅助康复治疗过程中,鲁棒的控制策略、良好的控制精度和实时性,以及柔顺的交互性能是影响训练过程安全性和治疗效果有效性的关键。本文以7自由度串联冗余机械臂作为研究对象,深入研究了冗余机械臂在康复训练过程中所需的关键技术。(1)考虑到康复训练中机械臂末端同时进行平移运动和旋转运动,选用对偶四元数对其位姿进行准确耦合表达,并在此基础上建立动力学模型,与其他方法相比不存在表述奇异性、不连续性,并有效提高系统计算效率,为基于对偶四元数的动力学控制奠定基础。(2)针对冗余机械臂系统中存在的强非线性、建模误差、摩擦力、未知外部扰动、未建模不确定性等问题,利用不确定性和扰动估计器技术对系统集总不确定性进行估计和前馈补偿;通过设计滑模控制器实现对期望位姿的精确跟踪。考虑两种控制方法的优缺点,将两者结合,提出一种基于不确定性和扰动估计器的滑模控制策略,提高了系统位姿跟踪精度和鲁棒性。(3)为提高康复训练过程中的患者的交互体验与安全性,研究了阻抗控制算法对系统的期望位姿进行修正。从而对机械臂末端的接触力进行控制。为解决现存变阻尼方法只考虑稳态性能,而忽略了交互瞬间动态性能等问题,提出了变刚度阻抗控制框架,在实现对机械臂末端控制力的精确鲁棒控制的同时,提高对复杂环境的适应性,减小碰撞瞬间出现的较大冲击力。

关键词： 月季采摘机器人   结构设计   路径规划   柔顺控制  

摘要： 近年来随着我国鲜切花种植面积稳步上升以及机器人自动化技术的发展，通过机器人来解决设施农业的发展瓶颈成了重要的研究方向。本文以月季采摘机器人为研究对象，围绕柔顺抓取问题，开展了包括机器人运动学动力学分析仿真、机器人路径规划以及柔顺抓持力控制的研究工作。　　首先，结合种植环境以及采摘对象提炼了设计要求，以三自由度直角坐标机器人作为月季采摘机器人，设计了关节的传动方式、末端执行器机械结构以及伺服控制系统。　　其次，采用了改进D-H方法对机器人进行正运动学方程推导，并通过MATLAB Robotics System Toolbox进行了运动学仿真。采用了拉格朗日方法建立了采摘机器人的动力学模型，使用SolidWorks进行了仿真，验证了机器人设计的可行性。　　然后，进行采摘机器人路径规划算法研究。以三自由度直角坐标机械臂作为对象，并结合采摘环境以及采摘机器人设计，对RRT connect、PRRT、Bias-RRT、RRT*四种基于RRT的变种算法进行优化提出改进Bias-RRT*connect算法。在MATLAB中进行算法对比实验。结果表明，改进算法在路径的节点数、节点数标准差、路径长度、路径长度标准差、算法运行时间以及算法运行时间标准差六个指标上都具有优势。使用一种路径节点修剪方法进一步优化了路径。　　最后，进行柔顺抓取研究。为了降低抓持力控制偏差，从而避免机器人柔顺抓取系统在采摘过程中损伤月季花梗，分析了两种变参数阻抗控制，在传统阻抗控制基础上引入环境参数估计实现柔顺抓持力控制。通过梯度下降法在线估计弯曲刚度并修正参考位置以降低抓持力稳态误差。在MATLAB/Simulink中进行抓取系统仿真。结果表明，所使用的改进阻抗控制算法相对于传统阻抗控制算法能有效减小稳态误差，11个不同刚度参数花梗的抓持力上升时间都在0.42秒以内、超调量在20%以内。通过实验验证了系统能实现平均稳态误差为0.11N的抓持力控制，能满足月季采摘的要求。进行了采摘机器人柔顺抓取实验，在模拟环境中，10次采摘的成功率为80%，实验验证了采摘机器人设计、路径规划算法以及柔顺抓持力控制算法的可行性。

关键词： 六足机器人   仿生结构设计   多足协调控制   自由步态规划   足端反射机制  

摘要： 六足机器人因具备卓越的运动稳定性、地形适应性,可利用复杂地形中离散化局部支撑实现灵活、柔顺的动态转移,在救灾抢险、军事侦查、星球探索等领域不可替代作用日益凸显。仿生结构设计是六足机器人稳定运动的基础,柔顺运动控制是机器人适应复杂地形的关键,二者共同决定着机器人能否完成复杂仿生运动。目前,国内外研制的各类机器人样机已初步实现稳定运动,然而,受限于整机结构设计、多足协调控制、自由步态规划等瓶颈,现有六足机器人普遍存在结构仿生性不足、运动柔顺性欠佳等突出问题。为此,借鉴典型生物结构特征合理优化设计机器人仿生结构,融合足端反射机制深入研究机器人多足协调控制方法,基于地形感知原理重点探究自由步态规划策略,以进一步推动六足机器人的研究与应用。 主要研究工作与成果如下: 1、基于典型六足生物观测实验,系统剖析了六足生物单足、躯干结构特征和单足柔顺驱动模式,初步提出了六足机器人仿生设计基本理念,参照典型六足生物生理结构比例,借鉴足式生物足端感知反馈机制,优化设计了机器人低惯量单足结构与矩形机体布局,研制出了一款融合足端反射的六足机器人。 2、基于矢量法构建了机器人运动学模型,借鉴生物柔顺运动模式并融合足端反射机制,规划出了一种参数化足端柔顺运动轨迹,并通过分析单足与机体的相对运动关系,建立了机体精准运动规划方法,在此基础上,探究了基于运动解耦的多足协调控制方法,搭建了分级运动控制系统,实现了机器人多足协调控制。 3、借鉴典型生物步态形成机理,深入探究了六足机器人自由步态规划的基本原理,结合足端地形交互感知机制,构建了基于局部地形特征的动静稳定性量化评价方法,在此基础上,融合足端动态调整机制,提出了面向复杂地形柔顺运动的自由步态规划方法,并充分结合局部地形特征优化了机器人自由步态规划策略。 4、搭建了六足机器人实验平台,系统开展机器人结构性能测试与柔顺运动控制实验,样机实验结果表明六足机器人仿生结构设计合理,融合多足协调控制方法与自由步态规划方法,机器人能够实现复杂地形下相对柔顺的稳定运动。

关键词： 混凝土振捣   机器人   滑模控制   柔顺控制   碰撞检测  

摘要： 当前的混凝土平仓振捣机适用于大平面无钢筋结构的混凝土振捣施工作业,无法对钢筋网内部进行振捣,而人工手持振捣棒方式存在振捣效率低、劳动强度大、振捣质量不稳定等诸多弊端。本文针对当前振捣设备的不足,并结合钢筋网内振捣施工作业需求,开发一套适用于钢筋网内的智能振捣机器人系统。 设计了一台五自由度串联振捣机器人以及配套的振捣棒隔振挂架。基于有限元仿真软件,对振捣机器人整体结构的静力学和振动模态进行仿真分析,验证了机器人设计结构的可靠性。利用几何法建立了机器人运动学模型,推导了机器人的速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵。基于拉格朗日法建立机器人动力学方程,得到机器人关节位移与关节转矩之间的关系,并根据机器人结构参数实现关节转矩与油缸驱动力之间的转化。基于改进的正弦加减速轨迹规划策略,得到末端点位姿变化的插补点,规划了振捣机器人在位姿空间的直线轨迹。 建立了机器人驱动部分的电液比例阀控缸数学模型。设计了基于滑模变结构控制算法的机器人关节运动控制器,提升振捣机器人运动过程中的位置抗干扰能力。引入基于位置的阻抗控制算法设计机器人操作力外环,整体构成导纳柔顺控制器,实现机器人主动柔顺,避免在施工作业时与钢筋网或障碍物发生刚性碰撞。设计了基于动态阈值法的碰撞检测方法,可确定碰撞发生的位置、碰撞力的大小和方向,并设计了相应的安全响应策略,保护了机器人本体和建筑物结构的安全。 搭建了五自由度串联振捣机器人实验平台,并进行了相关实验验证。在无碰撞的工况下,对振捣机器人进行纯位置伺服实验,实验结果表明,滑模变结构控制算法相比于PID控制算法更为有效;在高频振动并有碰撞的工况下,对振捣机器人进行了导纳柔顺控制和碰撞检测实验,实验结果表明,所设计的振捣机器人实验样机具备运动平稳,位置控制较为准确,在碰撞发生时,能表现出良好的柔顺性,且能实时判断出碰撞发生的位置、碰撞力的大小和方向,并采取安全响应策略,可调整位姿,继续完成振捣任务。研究为振捣机器人现场施工作业奠定了基础。

关键词： 孔轴装配   柔顺控制   协作机器人   强化学习   SAC算法  

摘要： 装配任务在工业生产中扮演着重要角色,随着劳动力成本的不断上升,机器人自动装配技术的发展势在必行。本文针对圆柱形单轴孔装配零件,以协作机器人UR5为研究对象,旨在提出一种适用于高精度轴孔的装配策略。主要的研究内容如下: 基于D-H参数法建立UR5机器人运动学模型,得到机器人的正逆运动学和微分运动学;基于3-5-3多项式对轴孔装配过程中的轨迹规划技术研究,为了提高装配效率,以最小化时间为目标,将机器人关节角速度作为约束,使用粒子群算法对3-5-3多项式优化,优化后的结果相对于优化前缩短3.0875s。 对柔顺控制算法和轴孔装配过程中的搜孔算法展开研究。在搜孔和插孔阶段,选择基于位置的阻抗控制作为柔顺控制算法。通过MATLAB建立单自由度阻抗控制仿真模型,分析阻抗参数和环境参数对阻抗控制系统的影响。总结常用搜孔方法的优缺点,选择盲搜孔算法中的螺旋轨迹进行搜孔,并提出搜孔阶段算法的实现流程和算法框图。 对轴孔装配过程中插孔算法展开研究,为了解决固定参数的阻抗控制无法有效调节插孔过程中的姿态问题,引入强化学习中的SAC算法来动态调整插孔过程中的阻抗参数,以减小插孔过程中的接触力和提高插孔效率为目标,对强化学习中的状态、动作、奖励和终止条件等进行设计,训练出一种能有效调节插孔过程中姿态偏差的插孔策略。 以Coppeliasim软件为仿真平台,基于H7/h6公差配合,建立了3种间隙大小的轴孔装配模型用于仿真;设计柔顺控制算法实验,证明了柔顺控制算法能有效减少和障碍物接触时的接触力;设计搜孔算法实验,验证了机器人在螺旋搜孔策略下能成功搜到孔;最后设计了基于强化学习和基于导纳控制的柔顺插孔对比实验,证明了基于强化学习算法优化出的插孔策略能有效降低插孔阶段时间和插孔过程中的接触力。

关键词： 双定子磁场调制电机   关节电机   转矩脉动   内定子补偿   自抗扰控制  

摘要： 协作机器人具有灵活、安全、智能的特点,发展协作机器人是推动我国制造业高端化、智能化、绿色化的必要举措。目前已有的协作机器人负载自重比低,无法在汽车、飞机等重载工作场景中完成相应协助工作。在协作机器人关节中应用双定子磁场调制电机能够有效提高机器人负载自重比。然而,较单定子电机更大的转矩脉动限制了双定子磁场调制电机在协作机器人中的应用。本文通过改进双定子磁场调制电机控制算法,降低电机的转矩脉动和负载变化时的速度突变,提高双定子磁场调制电机运行时的平稳性和抗扰性;将柔顺控制方法应用于目标电机,提高关节电机的柔顺性。 首先,建立双定子磁场调制电机数学模型,讨论了单速度环控制和并行控制方法的优缺点。在并行控制的基础上,针对双定子电机内外两定子电气参数不同的特点,提出了内定子补偿控制方法并进行仿真分析。仿真结果表明,与单速度环控制相比,内定子补偿控制下的电机转速波动降低了30%。 其次,分析了自抗扰控制算法的原理和实现方法,设计了双定子磁场调制电机自抗扰控制器,并建立了仿真模型。基于仿真模型探究了自抗扰控制器参数的调节方法,验证了自抗扰控制器的效果。仿真结果表明,与基于PI的内定子补偿控制方法相比,基于自抗扰的内定子补偿控制方法的转速波动降低了75%,转速突变降低了54.5%。 再次,研究了电机柔顺控制方法,分别介绍了基于力和位置的阻抗控制方法,通过仿真对比了两种柔顺控制方法,并探究了参数对控制效果的影响。将自抗扰控制器应用于基于位置的阻抗控制中,提高了电机定位精度和抗扰能力。与基于PI的位置控制相比,位置突变降低了90.6%。 最后,搭建了双定子磁场调制电机对拖实验平台,对提出的控制策略进行了验证。在使用了基于自抗扰的内定子补偿控制方法后,电机的转速波动较单速度环控制降低了35.7%,转速突变降低了25%;电机的位置突变较传统PI控制降低了11.8%,恢复时间缩短了71.4%。实验结果表明,提出内定子补偿控制方法有效提高了双定子磁场调制电机的运行平稳性和抗扰能力。

关键词： 绳牵引康复机器人   轨迹规划   运动意图识别   滑模干扰观测器   阻抗控制  

摘要： 近年来,绳牵引并联机器人在康复领域已经取得了很多的研究成果。绳牵引康复机器人使用具有柔性的绳索来牵引患者的肢体进行运动,具有工作空间大、惯性低、灵活性好、安全系数高等特点,受到了各界的广泛关注。本课题基于实验室自主研发的绳牵引康复机器人,建立了其运动学和动力学模型,针对该系统规划了有效的康复训练动作轨迹并进行了相应的控制器设计,同时研究了基于患者下肢表面肌电信号(surface Electromyography,s EMG)的运动意图识别,从而帮助患者实现可行的、有效的康复训练。主要研究内容如下:首先,分析了患者下肢的生理学特点,建立了满足关节约束和康复训练需求的患者下肢正、逆运动学模型,提出了基于空间几何的直接求解法来实现从患者下肢踝关节轨迹到小腿轨迹的直接映射。考虑系统的可重构性,建立了绳牵引康复机器人的运动学模型。依据合理的绳索分配方式,将患者下肢小腿看作绳牵引康复机器人的动平台,实现了患者下肢末端点轨迹到绳长变化曲线之间的映射。以屈曲膝关节康复动作为例,结合蒙特卡洛法、自适应s型曲线等方法,规划了其动作的轨迹,为控制器设计提供了期望的跟踪曲线。其次,为了充分发挥人机交互的优势,提高患者康复训练时的积极性和主动性,利用人体下肢表面肌电信号超前于实际动作的特点,研究了使用表面肌电信号来获取患者下肢的运动意图,从而实现了绳牵引康复机器人系统在7种不同的下肢康复动作之间的自主切换。再次,由于绳牵引康复机器人是一类典型的人机交互系统,因而使用拉格朗日法建立了患者下肢关节空间的动力学模型和绳牵引康复机器人驱动系统绳长空间的动力学模型,并组成了新型的包含患者下肢主动力的双空间动力学模型。针对该模型的特点,考虑系统存在的参数摄动、未建模动态等影响,结合有限时间滑模干扰观测器,提出了期望张力前馈阻抗控制算法和实际张力反馈阻抗控制算法。该算法既可以实现患者下肢完全瘫痪时的被动跟踪训练,也可以在患者下肢具有主动力时保证患者训练过程中的安全性。最后,为了证明本课题研究内容的合理性和有效性,进行了实验验证。基于绳牵引康复机器人的硬件系统开发了相应的软件平台。详细设计了实验流程,对志愿者进行了相应的运动意图识别和康复动作训练实验。实验结果表明,本课题的研究内容合理有效,能够帮助患者实现预期的下肢康复训练任务。