关键词： 并联机器人   运动学模型   动力学模型   运动控制   主动柔顺控制  

摘要： 随着现代机器人技术的发展,并联机器人作为一种典型的机器人体系,具有结构紧凑、力矩输出能力强等优点,被广泛应用于工业生产。Delta并联机器人是一种具有较高运动性能的并联机器人,可以用于实现复杂的机械任务。本研究旨在探讨并联机器人运动控制和主动柔顺控制技术,并进行仿真研究。 首先,对并联机器人的结构和杆件的约束关系进行分析,在自然坐标系上建立运动学模型,完成对正运动学和逆运动学的求解。在此基础上,给定预设输入轨迹,进一步推导出驱动关节角速度、角加速度以及速度雅克比矩阵的模型。根据以上过程建立仿真模型,得到各变量的轨迹曲线,并验证了运动学求解的正确性。 然后,使用虚功原理建立并联机器人的动力学方程。采用将从动臂的质量等效到主动臂和动平台上的方法降低动力学模型的非线性程度。将数学方法建立的模型与机械结构仿真模型对比,验证了在同样的预设输入和控制方式下,它们的控制器参数接近且位置跟踪效果相同,前者的仿真运行速度有约20倍的提升。 接着,建立了并联机器人运动控制系统的仿真模型,选取了PID控制和基于计算力矩的滑模控制两种控制方式。仿真实验表明了PID控制器的输出力矩在启动阶段过大,在系统达到稳定运行后力矩更加平稳。而基于计算力矩的滑模控制对预设输入轨迹跟踪效果更好,位置精度更高。 最后,分别设计了阻抗控制和导纳控制系统,仿真验证了主动柔顺控制系统在有持续外力负载或冲击力时的情况下,控制器输出力矩和跟踪位置精度受到的影响。与PID控制器相比,阻抗控制和导纳控制系统的启动力矩峰值分别降低了32%和38%,跟踪角度的最大偏差分别降低了75%和60%。结果还表明,在存在约50N外力的情况下,阻抗控制系统输出角度的最大偏差仅为0.014rad,导纳控制系统为0.036rad,两种控制器输出力矩的波动幅度也均不超过2%。基于计算力矩的滑模控制器的输出力矩曲线变化周期不足0.01秒,与其相比,两种主动柔顺控制器的输出力矩曲线十分平稳,稳态时变化周期为2秒。

关键词： 变刚度   柔顺   球窝关节   仿生设计   人机协作  

摘要： 随着机器人技术的飞速发展,社会对机器人的性能要求也日益提高,越来越多的机器人应用于生活服务、工作辅助以及医疗康复等人机交互的场景,而机器人的性能往往由其关节决定,传统的机器人关节刚度较大,不利于人机交互,因此如何提高关节的柔顺性成了亟需解决的关键问题。动物的关节结构是自然进化的结果,不但可以进行灵活的运动,还能改变自身的刚度从而柔顺的适应环境。本文以人体肩关节作为仿生学参照,通过绳索和气动软体结构模拟肌肉,设计了一款可变刚度的球窝型机器人关节,该机器人关节具有紧凑的关节结构、相对较大的运动范围、可解耦控制的三自由度运动和可变刚度的柔顺力学性能,可以作为模块化结构嵌入到各类机器人中,提升机器人整体的人机交互性能。 本课题主要研究内容如下: 基于人体肩关节的仿生学原理,设计了一款大运动范围柔顺仿生球窝型机器人关节Soft Joint-3。在结构上提出了并联三支链的构型,设计了三自由度驱动解耦的运动方案;驱动上采用绞盘带动绳索,以模拟肌肉的拮抗运动模式,对绞盘轮廓形状进行了优化设计;设计并制造了气动软体结构来模拟肌肉的变刚度特性;加工并制造了Soft Joint-3样机。 分析了SoftJoint-3的正逆运动学和工作空间特性,设计了姿态空间的轨迹规划算法;建立了关节刚度模型,基于此刚度模型对刚度相关零件进行了选型,分析了关节的变刚度特性;建立了关节动力学模型,提出了关节的柔顺控制算法。 搭建了SoftJoint-3的控制系统,提出了控制系统的功能架构,采用上位机、主控卡和信息采集卡相结合的控制方式,对硬件平台进行了设计和选型;完成了控制系统的软件平台设计,包括信息采集程序设计和基于free RTOS的主控程序设计,实现了对关节的运动控制、刚度控制和状态采集等功能。 完成了SoftJoint-3性能测试实验,通过运动实验验证了关节的运动范围、运动跟随精度、移动速度和负载能力;通过刚度实验验证了关节的刚度特性以及变刚度能力;通过人机交互实验验证了关节的柔顺控制算法,实现了人机交互时的柔顺性。研究结果证明了本文设计的球窝型机器人关节的有效性和潜在应用价值。

关键词： 足式机器人   液压驱动   轻量化建模   柔顺控制  

摘要： 近年来，智能化机器人在生产和生活中的应用越来越多，在高效运转、为人们提供便利的同时，也出现了一些不足，亟待改进。文章以液压驱动型足式机器人为例，针对足式机器人腿部关键驱动的液压执行器开展轻量化研究，对执行器的各组成部件进行轻量化建模。然后，从关节空间的阻抗控制、姿态柔顺控制进行分析，采用可以定量评估参数对模型影响的基于Sobol的全局柔顺度分析方法，并结合蒙特卡洛数值模拟方法增强其分析效率，最终分析影响液压驱动执行器质量决定参数，并通过系统建模验证了柔顺度分析结果的准确性，为更好地优化机器人的各项部件提供一定的参考。

关键词： 机器人   柔顺   导纳控制   分数阶   自适应  

摘要： 国际上有舆论将机器人誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造及应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。随着人类文明与科学技术的不断进步,机器人作为信息技术、控制技术和智能制造技术集成创新的重大成果,也迎来了崭新的契机。为了让机器人走出围栏限制成为人类的可靠合作伙伴,就要求机器人能够适应各种非结构化未知物理环境,这就使得仅依赖位置控制的传统机器人将不能满足现代任务的柔顺需求。故而,如何使机器人在非结构化未知环境中稳定可靠地执行动态接触交互任务,这一科学问题引起了国内外许多研究机构的关注,并投入了大量人力物力开展相关的研究工作。若能从根本上解决机器人与非结构化未知环境之间的柔顺交互控制问题,将会实现机器人与作业环境、机器人与机器人、机器人与人类安全共存、自主适应并协同作业,达到真正意义上的“共融共生”。本文以分数阶导纳控制模型的柔顺控制策略为基础,旨在解决机器人在非结构化未知环境中的动态接触交互问题,主要研究工作如下:(1)研究基于导纳模型的机器人接触交互柔顺控制框架。首先构建机器人动力学模型和机器人-物理环境的接触动力学模型,并分析机器人与环境接触的响应过程。然后基于经典阻抗控制原理和实现方法,阐述两类不同实施方案的阻抗控制策略并分析其控制特点。最后结合机器人与物理环境接触交互的数学模型、物理模型以及基于阻抗策略的机器人柔顺控制原理,搭建机器人-环境接触交互柔顺控制框架。(2)研究自适应分数阶导纳控制原理。首先引入分数阶微积分重构经典导纳模型,分析不同目标导纳参数对控制系统性能的影响。然后考虑交互环境动力学参数的不确定性以及分数阶导纳控制器要想达到理想跟踪性能的必要条件,设计自适应分数阶导纳控制算法并给出该控制算法的稳定性和收敛性分析方法。最后基于频域性能指标提出了一种分数阶导纳参数设计方法,简要地分析所提控制算法在未知环境中的交互性能,并通过仿真验证了控制策略的合理性与有效性。(3)研究基于PD的模糊自适应分数阶导纳控制原理。为提高机器人与非结构化未知物理环境接触交互的全局控制性能,首先引入前置PD控制器改变系统的固有频率,拓展自适应更新速率的边界范围,提高导纳控制系统的瞬态响应、稳态跟踪性能及稳定性,进一步保障机器人柔顺交互过程的安全性。然后采用模糊控制器来在线动态调整自适应更新速率以解决恒定更新速率无法兼顾瞬态和稳态性能的难题,提升机器人在非结构化未知环境中的全局适应能力,使得该控制器具有响应速度快、超调量小和鲁棒性强等优点。最后通过仿真验证了控制策略的有效性。(4)实验研究基于分数阶导纳模型的机器人柔顺控制策略。首先考虑机器人在柔顺交互过程中的实时性需求,基于PREEMPT-RT Linux系统构建Auboi5机器人实时控制器进行实验验证。然后搭建非结构化未知交互物理环境,测试本文所提柔顺控制策略在机器人与环境进行动态交互过程中的性能表现。最后基于实验结果的分析情况,验证了本文所提出的机器人柔顺控制策略在动态交互过程中的有效性与优越性。

关键词： 全方向移动机器人   重心偏移   参数估计   自适应阻抗  

摘要： 全方向移动机器人(Omnidirectional mobile robot,OMR)在现代社会中具有重要的应用价值和学术研究意义。研究OMR的运动控制问题,可以提高机器人的运动精度和稳定性。然而实际应用过程中机器人重心会产生偏移,进而影响机器人的轨迹跟踪精度。为了进一步提高机器人的轨迹跟踪精度,实时估计并预测重心位置具有重要作用,且在使用OMR的过程中需要考虑使用者的舒适度。因此需要对OMR的重心偏移问题进行研究,并分析其对机器人运动精度的影响,同时也考虑了使用者在使用机器人过程中的舒适度问题。具体研究内容如下: 首先利用牛顿-欧拉动力学方程为基础,建立了考虑重心偏移的移动机器人运动学和动力学模型。并采用简单的比例微分(Proportional plus derivative control,PD)控制方法进行仿真,以验证重心偏移对移动机器人的影响。 为减小重心偏移的影响,采用长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)训练构建其对比模型,其次基于模型对比法实时估计重心偏移参数,再基于张神经网络(Zhang neural networks,ZNN)对估计的重心偏移参数进行预测以减小估计过程引起的滞后。最后基于非线性动态反馈解耦法设计数值加速度控制算法,且基于离散系统极点配置法分析了系统的稳定性。仿真和实验结果验证了相比于数值加速度控制器与自适应控制器,含有参数估计及预测的数值加速度控制器因能在线预测重心偏移参数,完成高精度动态解耦,从而实现了控制精度的提高。 此外,还讨论了在进行行走练习的过程中,使用者和机器人交互力的舒适度问题,并提出了一种新型的可变阻抗力跟踪控制的自适应方法。所提出的方法能够跟踪动态的期望力,并对环境的不确定性进行补偿。分析了机器人和用户之间的接触力模型,接触力被用作基于位置的阻抗控制器的反馈力,以便在不确定的环境中主动跟踪动态期望力。考虑到与环境刚度及人机间位置相关的不确定性,提出了一种自适应可变阻抗控制,该方法使用力跟踪误差来在线调整阻抗参数,保证人机交互力的柔顺。此外证明了该控制方法的稳定性和收敛性。仿真和实验结果表明,与恒阻抗控制相比,所提出的方法可以实现更好的力跟踪性能,提高使用者的参与感和舒适度。 结尾对创新之处和主要成果进行了总结,强调了其实际应用价值,并指出了研究的局限性和未来的改进方向。

关键词： 外肢体机器人   控制系统   动力学分析   柔顺控制  

摘要： 外肢体机器人是一种新兴的人机协同可穿戴式辅助作业机器人,区别于外骨骼机器人,外肢体机器人通过对人类肢体的延拓和增强来提高人体作业效率和操作能力。外肢体机器人在不同领域有着广阔的应用前景,具有重要的研究价值。外肢体机器人的关键技术包括构型设计、控制系统、控制方法等。本文的研究目标为研制一台具备自主运动能力和人机协作能力的外肢体机器人,围绕机器人的软硬件研制和协作控制进行研究。本文的主要研究内容如下: 第一章:介绍了外肢体机器人的国内外发展及研究现状,分析了外肢体机器人感知方法、柔顺控制、双臂协作机器人协调操作的研究现状。总结了外肢体机器人的研究需求和研究难点,确定了课题的研究目标和研究内容。 第二章:搭建了外肢体机器人控制系统软硬件平台。介绍了外肢体机器人的构型,对整机结构进行了改进设计。根据外肢体机器人稳定运行的控制需求,设计了轻量化、易扩展的控制系统硬件平台,完成了控制器、传感器及电源系统的选型和设计,完成了硬件分布及信号线路方案。针对软件系统安全稳定的运行需求,搭建了基于有限状态机的软件系统框架,完成了控制系统软硬件平台设计。 第三章:建立了外肢体机器人运动学和动力学模型,完成了动力学参数辨识。建立了外肢体机器人运动学建模,得到了单臂末端位置与各关节角度之间的关系,在理论上明确了外肢体机器人的工作空间。在运动学分析的基础上,采用拉格朗日迭代法推导得到了单臂连杆动力学模型,建立了库伦与粘滞关节摩擦模型。搭建了外肢体机器人动力学模型,仿真验证了动力学分析的正确性,明确了在不同工况下外肢体机器人的关节出力特点。推导了外肢体机器人单臂的最小惯性参数集,设计了五次多项式激励轨迹并采用遗传算法进行了优化。运动学和动力学模型的建立为后续控制算法设计与实验研究打下了基础。 第四章:完成了外肢体机器人协同控制方法研究。分析了外肢体机器人人机协作控制需求,提出了人机协作整体控制方法,包含外肢体机器人双臂运动约束分析和单个肢体机械臂的阻抗控制方法。分析了笛卡尔空间的轨迹规划和双臂紧协调下的运动学约束。针对单臂的控制方法,分别分析了基于力和基于位置的阻抗控制方法,并提出了单臂的位置与姿态解耦控制方法。通过单关节实验讨论了不同阻抗参数对系统控制效果的影响,仿真分析了采用阻抗控制方法的单臂在受到外力作用下的运动情况,仿真验证了双臂运动学规划的正确性。 第五章:搭建了外肢体机器人样机,开展了外肢体机器人实验研究。完成了外肢体机器人的加工装配及实物搭建,完成了负载实验、柔顺控制实验、双臂协同搬运物体实验以及人机协作实验,验证了上述理论分析的正确性,实现了外肢体机器人自主运动和人机协作的功能。 第六章:总结了本课题的研究工作,对未来的研究方向和内容进行了展望。

关键词： 轴孔装配   深度强化学习   柔顺控制   装配任务实验  

摘要： 为了使机器人在工业制造中的装配环节中更加智能化,能适应复杂环境、新任务、未知模型等情况,提出智能装配框架系统,机器人在执行装配任务时,能够自主生成智能化装配策略。本文包括基于柔顺控制策略研究、深度强化学习的装配策略研究和仿真训练及相关对比实验,旨在于提高工业机器人在工作过程中的装配精度及智能性。机械臂作为工具使用时,需要对机械臂建立运动学模型,使其能够精准的执行控制指令。为了确保机械臂能够高效准确的完成指令,会采用正逆运动学解对其进行测试验证,为设计导纳控制器提供基础支撑。分析装配任务中的接触问题,提出具有柔顺效果的机械臂导纳控制器,并改写阻抗模型,通过控制机械臂位置来解决工件冲突问题,从而起到系统柔顺化、提高装配效率、鲁棒性、避免因接触力过大造成工件精度损失等作用。面对装配任务采用深度强化学习算法,选用在处理连续动作空间问题上,效果优异TD3算法。该算法在分析处理高维数据上,是通过强化学习与深度神经网络结合。并对算法进行适用装配任务的改动。最后针对装配任务上的问题,对TD3算法进行了优化改进,通过优化网络参数以及改进数据更新处理,能够在处理轴孔装配问题时,提升了效率和稳定性。具体优化包含自适应性指导、神经网络预训练等。通过改变算法策略决策方式,进而提升装配任务训练的效率,加速训练的收敛。在实验部分由于仿真和物理实验的数据更新效率不同,设计了相应的数据迁移学习算法。本文主要通过联合Coppelia Sim仿真平台和pycharm以及搭建JAKA Zu 7机器人实验平台完成。根据训练做长期回报设计,分层考虑装配任务,制定奖励函数规则。并且验证了机械臂导纳控制器在工件装配产生高接触力时的柔顺处理效果。最后进行多对照组实验,对基于深度强化学习算法的柔性装配策略进行多实验。由实验结论表明对不同位姿下的轴件、不同初始装配位置下的轴件进行多对照组实验,最后得出当待装轴件位置1mm以内、初始偏置角度13~o以内时,装配成功率达到100%,且在3mm初始装配范围内,成功率高达92%。验证了提出的智能化装配方法的应用在轴孔精密装配中的可行性、稳定性以及效率。

关键词： 装配机器人   轴孔装配   轨迹规划   搜孔策略   导纳控制  

摘要： 目前,机器人已经越来越广泛的应用于工业生产中,替代或辅助工人完成危险性大、劳动强度高、工作环境差的作业任务,针对不同的作业任务,要求机器人具有高精度的位置控制,同时应具备与外部约束环境进行柔顺交互的功能。课题针对轴孔精密装配任务,围绕机器人轨迹规划、搜孔策略和柔顺控制方法开展以下研究:首先,搭建了轴孔精密装配系统,分析了机器人轴孔装配任务空间运动轨迹规划,采用D-H方法对装配机器人进行了运动学建模和逆运动学仿真验证。采用五次多项式插值方法进行机器人关节空间轨迹规划插补,保证机器人关节运动速度和加速度的平顺性,同时利用三次非均匀B样条曲线进行笛卡尔空间末端轨迹规划,改善机器人关节运动过程中的末端抖动,并进行了仿真验证。其次,受人工装配行为特点的启发,将机器人轴孔精密装配过程分为搜孔阶段和调整插入两个阶段。在分析搜孔阶段常规搜孔策略的基础上,提出了一种基于阿基米德螺旋的倾斜式搜孔策略以实现轴孔精确对齐;对于调整插入阶段,进行轴孔装配模型分析,根据接触点个数不同分别建立一点接触和两点接触装配模型,并对各接触状态的特点进行受力分析,开展模拟轴孔装配过程中装配力/力矩的变化仿真分析。然后,针对力传感器自身零点漂移和受工具重力影响问题,采用基于最小二乘法的重力补偿方法对力传感信息进行处理,完成了力传感器的标定。提出一种基于等效质量-阻尼-弹簧的导纳控制策略,开展了机器人轴孔装配柔顺控制实验,验证了重力补偿和导纳控制方法的可行性。最后,搭建面向轴孔精密装配任务的实验平台,选取规则圆形轴孔开展机器人装配任务实验。实验表明,基于阿基米德螺旋线的倾斜式搜孔策略能实现轴孔精确对齐,导纳控制方法能够使机器人实现柔顺插孔。

关键词： 移动机械臂   柔顺控制   传感器融合   开门规划   车臂协同  

摘要： 移动机械臂开门技术主要用于应对核辐射核污染等人类无法进入的环境中的救援任务,实现自主规划开门作业,但目前移动机械臂开门技术主要存在三个方面的主要问题:(1)感知系统需要对门把手位置及门的开度进行检测;(2)自主路径规划局部避障对移动平台的规划能力要求较高;(3)开门任务需要移动机械臂能够实现车臂协同及阻抗自适应控制。因此,本文对移动机械臂的柔顺开门任务进行了以下研究: 首先,在开门任务中移动机械臂需要准确的获取门与门把手的位置信息以及门开度信息,本文采用双目相机与激光雷达结合的方式对门与门把手进行检测定位,对Yolov5s网络进行SPP模块的改进,利用双目相机得到门与门把手的三维位置信息,提出了特征值法对RANSAC算法进行改进,通过雷达融合相机检测得到的位置信息对门的点云进行平面拟合,并计算门的开合角度,实现对门的开度大小的判断。 其次,为了实现移动机械臂能够自主避障并对准门把手,本文提出了两段式PID控制算法,控制横向误差与航向角偏差,实现移动平台的对准任务;本文针对人工势场法中局部最优与目标点不可达的问题提出了改进措施,利用障碍物的势场范围与轨迹路径建立横纵向子目标点,并对斥力场函数进行势场力的分解,提高了移动平台实时躲避障碍物并到达目标点的能力。 然后,为了完成移动机械臂开门任务中的柔顺性与车臂协同,本文提出了基于力偏差的模型参考自适应阻抗控制,将机械臂等效为二阶物理模型,分析了机械臂在与环境接触时产生的期望力误差,并对阻抗参数的影响进行分析,提出将模型参考自适应控制与阻抗控制相结合的策略,实现对机械臂的柔顺控制;本文对机械臂与移动平台进行车臂协同规划,借助感知系统输出的门开度夹角对机械臂末端速度与车速实现速度耦合,同时规划共同完成开门任务。 最后,搭建移动机械臂开门实验平台,并对本文提出的一系列方法进行实验验证。实验证明,移动平台能够精准的躲避路径上的多个障碍物并对准门把手,满足任务的需求;移动机械臂能够实现车臂协同柔顺开门,车与臂同时运动过程中保证机械臂末端在世界坐标系下的运动轨迹为绕门轴的圆弧运动,实现了机械臂与移动平台的耦合控制。本文研究成果可用于机器人军事、医疗等领域,为移动机械臂柔顺开门等提供技术参考及解决方案。