关键词： 目标检测   6D抓取位姿   柔顺控制   视-力融合   机器人抓取  

摘要： 随着全球科技浪潮的兴起,机器人作为智能化的科技产品已广泛应用于各行各业。其中机器人抓取作为机器人与外界环境交互的重要方式,其优势在于通过代替人工,减少操作失误以及保证抓取的稳定性。然而只依靠单一的视觉或者力觉感知已无法满足人们对日益增长的生产生活需求。因此针对非结构化场景下现有机器人抓取系统存在的抓取精度低、鲁棒性差等问题,本文基于目标检测技术、抓取位姿估计算法和机器人的柔顺控制方法,采用视-力信息融合的抓取策略,提出了一种融合视觉与力觉的机器人柔顺抓取方法。主要工作如下: 首先,采用轻量化Nanodet目标检测算法对物体进行智能识别。通过引入注意力机制CBAM模块优化原模型,提升模型聚焦特征信息的能力,在通道和空间两个维度上进行自适应特征修正,在仅牺牲少量检测速度的前提下,检测精度有所提升。并引入Cutout数据增强技术优化模型训练的泛化能力。 其次,针对抓取位姿难以预估的问题,采用基于端到端的6D抓取位姿估计网络Grasp Net,通过引入多层感知器MLP改进原模型,对可行抓取点和逼近向量进行分类优化,建立统一的坐标系以解耦的方式学习抓取参数,基于Grasp Net-1Billion大规模抓取位姿检测数据集实现6D抓取位姿的精准估计。并对生成的冗余抓取位姿进行优化,减少不必要的计算量。 接着,为了提升与外界环境的交互性,在宏观视觉引导的基础上引入微观力觉感知。力信息经重力补偿输入基于位置内环和力控外环的导纳控制器,将力信息转化为位置信息,实现柔顺控制。然后采用基于扩展卡尔曼滤波的视-力信息融合抓取策略,融合了接触与非接触式的感知能力,从而实现精准抓取。 最后,搭建实验平台依次对目标检测、抓取位姿估计和视-力融合抓取进行实验验证,实验结果表明在非结构化场景下,该方法抓取成功率为91.667%,证明了方法的有效性。与传统的抓取方法相比,具有更稳定的抓取性能和更高的抓取效率,可以满足不同场景下的抓取需求。

关键词： 下肢外骨骼机器人   深度学习   参数辨识   人体意图感知   柔顺控制  

摘要： 随着国家和社会老龄化的不断加剧,助老、助残等康复型外骨骼机器人展现出广阔的应用前景。在外骨骼机器人研究领域,目前仍然存在建模精度不高、控制性能不足、人机耦合舒适度低以及人体意图感知不准确等一系列问题。因此本文以UEXO-Ⅰ下肢外骨骼样机为主要研究对象,在模型参数辨识、人机耦合控制以及人体意图感知等三个方面展开研究,最终希望下肢外骨骼人机耦合系统能够高效的完成控制目标。本文的主要研究和贡献如下:1.基于“欧拉-拉格朗日”建模方法,完成下肢外骨骼样机的动力学模型建立,并完成了2-DOF下肢外骨骼相应的反步控制器推导,基于样机动力学模型和反步控制器,使用MATLAB/SIMULINK完成相应的仿真实验。2.针对外骨骼建模精度和成本的平衡问题,提出了使用带摩擦力和残差补偿的De La N模型对外骨骼进行参数辨识,并针对外骨骼样机平台完善参数辨识网络,实现端到端的训练和参数辨识工作,其中两关节的辨识模型的力矩误差在1.3Nm和3.2Nm左右。3.考虑到外骨骼样机的舒适度以及人机耦合的柔顺性,基于参数辨识结果,分别设计了阻抗和导纳控制器,用来改善下肢外骨骼样机使用体验,同时可以进一步验证参数辨识网络的有效性,其中导纳控制误差在1e-4弧度数量级。4.针对人体意图识别,本文设计并完成了一套轻量化的人体步态传感数据采集系统,并基于采集系统得到的步态传感数据,设计了基于人工特征和传感时间序列融合的步态识别网络,可以实现更细粒度的步态识别结果,最终步态整体识别率达到了95.66%。

关键词： 快换装置   对接锁紧   位姿容差   轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 随着航天技术的发展,越来越多功能各异的航天设备被发射送入太空,如何让航天系统能够长期、稳定地在太空中工作,成为发展未来太空技术的关键性问题。通过对航天器进行在轨维护,可以实现航天器长期稳定地在太空中工作,因此大力发展对航天器的在轨维护技术十分必要。太空作业具备一定的危险性和不确定性,为了保护宇航员的生命安全,应尽可能减少宇航员的舱外作业次数。利用机械臂对航天器进行维护具备可持续性强、成本低等优势,可以保护宇航员的生命安全。因此,利用机械臂进行太空作业已经成为在轨维护技术中重要的组成部分。航天任务的复杂性往往需要机械臂具备完成多种操作任务的能力,所以研制一种可以使机械臂与多种工具或负载模块相连的标准接口,成为在轨维护技术中的重要研究内容。本文以实现机械臂快速更换为任务目标,提出了一种新型主被动端接口同构式快换装置(以下简称快换装置)。 首先,本文提出了快换装置总体设计方案,总体结构包括对接锁紧、流体传输及电连接器、传感器三个模块,介绍了快换装置核心部件的设计与选型。考虑到快换装置承载能力以及工作原理的可行性等问题,利用有限元以及动力学仿真分析软件对快换装置承载能力以及工作原理进行了仿真验证,验证了快换装置结构设计的合理性。 其次,针对快换装置对接容差性能进行了分析,通过对快换装置主被动端接口对接面坐标系之间的映射,推导出了快换装置对接时的力学摩擦条件以及几何条件,进而确定了接口的理论容差范围,后利用动力学仿真软件对快换接口的容差进行了仿真实验研究,依据仿真结果为快换装置的容差性能实验提供了理论依据。 然后,对快换装置对接过程中的轨迹规划方法进行研究,提出了正弦加速度控制算法,规划了快换装置主动端接口在笛卡尔空间下的位姿轨迹;针对位姿规划时间不同步的问题,采用了位姿时间同步算法;为验证轨迹规划效果,对轨迹规划方法进行了仿真,通过仿真结果,证明了采用轨迹规划对接效果的平滑性及稳定性。 最后,本文提出了机械臂对接的柔顺控制策略,规划了对接任务流程;分析了阻抗参数对机械臂对接过程中阻抗效果的影响;基于7自由度柔性机械臂搭建了性能测试平台,采集了实物对接时的位置及力数据,并进行了装置容差性能测试实验、流体传输实验、线性霍尔测距实验、模块搬运实验,装置承载力及锁紧力测试,验证了快换装置的各项工作指标均满足要求。

关键词： 在轨服务机械臂   柔顺控制   力/位PID控制   阻抗控制  

摘要： 随着中国空间站的竣工,中国的航天事业迎来的蓬勃发展的春天,未来将会有大量的空间机械臂进入太空,开展在轨对接、组装、维修、建造、救援等空间任务。然而,空间具有典型的零重力环境,且操作具有极高的精密度要求,对机械臂的控制提出了极高的要求。其中,最为重要的一项即为机械臂的柔顺控制能力,不仅要保证机械臂末端的轨迹精度,而且要求操作过程力度适中,既保证完成空间任务,又不损害操作目标。因此,本文针对在轨服务机械臂的柔顺控制方法进行了研究与设计,论文的主要研究内容如下:首先针对本文设计的三自由度机械臂进行系统建模,采用D-H参数法对机械臂的正运动建模,建立机械臂的D-H坐标系,采用解析法完成对逆运动学的推导。考虑到牛顿-欧拉法可以够清晰的分析系统中所有刚体的受力关系,因此采用牛顿-欧拉法对机械臂动力学进行建模。之后针对在轨服务机械臂进行空间作业时,通常需要满足位置伺服精度和一定的环境接触力,本文采用了力/位混合控制,为了使其具有更严格的非线性控制律,本文提出了一种力/位PID控制算法,使实际目标轨迹的可以完全实现对目标规矩的跟踪任务。针对调整位置误差来间接控制机械臂末端的接触力的研究与分析,本文研究了柔顺控制中的阻抗控制算法,对阻抗控制模型进行了设计,并对阻抗模型进行了改进,设计了一种基于位置的阻抗控制算法,借助目标阻抗关系转换称为运动轨迹修正误差,通过转换的位置修正量实现对机械臂末端的位置控制。最后本文通过仿真验证,在机械臂的运动过程中,具有很好的动态过程,实现目标轨迹的跟踪任务的同时有合理的输出力矩,具有良好的柔顺能力。

关键词： 双臂机器人   阻抗控制   冗余机械臂   协同控制  

摘要： 随着空间科学技术的不断发展和人类对于太空探索需求的增长，对空间机械臂的使用需求从单机械臂逐渐向多机械臂发展，机械臂在不确定环境中的柔顺控制和协同操作成为空间机械臂研究的重点方向。本文基于双冗余空间机械臂协同搬运物体的任务需求，基于哈工大自研的七自由度冗余机械臂系统，开展了七自由度冗余机械臂阻抗控制方法的研究，以及双臂阻抗控制方法的策略研究，并利用该机械臂进行地面实验。　　首先，针对SSRMS机械臂的特殊构型和各项参数，使用CRAIG的D-H方法建立机械臂的连杆坐标系，推导其正运动学方程，并以此为基础推导该机械臂的工作空间。随后使用关节角参数化方法（JAP）推导出机械臂的逆运动学求解方法，得到了较好的末端跟踪精度。结合五次多项式插值法实现了对机械臂运动轨迹的规划。使用Simulink仿真对轨迹规划方法进行验证。　　随后基于阻抗控制理论，对基于臂角描述的阻抗控制方法展开研究。针对七自由度冗余机械臂，对冗余自由度的零空间运动进行分析，推导出包含零空间阻抗的冗余自由度机械臂阻抗控制方程，给出SSRMS机械臂避奇异条件和该控制方法的稳定性条件。使用SolidWorks建立机械臂三维模型并导入仿真平台SimMechanics，使用Simulink配置仿真控制器环境，进行单臂阻抗控制仿真。设计单臂零空间阻抗控制仿真，验证冗余自由度机械臂零空间阻抗控制方法的有效性。　　然后对双臂搬运物体的运动过程进行分析，建立双臂搬运物体的动力学模型。针对双臂搬运物体过程中受力分析，推导出基于物体空间作为阻抗控制外环，机械臂操作空间作为阻抗控制内环的阻抗控制方法。使用SimMechanics搭建双臂模型进行双臂阻抗控制仿真实验。　　最后进行地面实验，搭建地面双臂实验平台，首先对各关节进行参数标定，随后开展地面单臂阻抗控制方法验证，进行单臂无负载条件下在空间中运动实验;开展双臂夹持模拟望远镜子模块搬运的实验，通过地面实验验证提出控制方法的正确性。

关键词： 尖轨   铣削力   工业机器人   位移控制   速度控制   柔顺控制  

摘要： 铁路道岔尖轨经过数控成型铣削后棱边会存在毛刺和尖锐的棱角,通常需要对其进行磨抛处理,如果不能有效的去除,会导致尖轨在服役过程中产生裂纹、降低寿命甚至发生断裂,进而影响铁路运输安全。然而当前尖轨的磨抛作业全部由人工完成,存在着打磨质量低、一致性差和漏打磨等问题,因而研发自动化加工系统取代人工提升尖轨棱边的加工效率和加工质量十分重要。本文提出基于“直线电机-机器人”的尖轨棱边铣削加工系统方案,将其应用到磨抛环节中。但是由于尖轨材质硬度较高,并且属于超长工件,棱边圆角一次成型铣削过程中需要工业机器人进行长距离进给,位置控制误差和棱边毛刺易导致尖轨棱边的过切或欠切而影响加工质量。为此,本文着重开展了加工过程中实现接触力跟踪的柔顺控制策略研究,主要研究内容如下:首先,分析了铣削加工系统的正运动学、逆运动学和逆动力学,针对系统的特点,根据关节运动范围最优函数进行零空间的运动优化。基于Rokae Studio软件,建立了加工系统和尖轨的物理模型,根据末端刀具对尖轨棱边的加工方式,获得了加工系统铣削尖轨棱边的期望末端位姿。其次,分析了末端执行器重力对传感器的影响,并进行重力补偿,将补偿后的力转换到末端刀具坐标系中,得到法向和切向铣削力。探究了不同主轴转速及进给速度下尖轨棱边的铣削质量,选取最优的工艺参数进行ABAQUS仿真的运动控制,进而仿真得到铣削力数据,根据加工尖轨过程中期望铣削力的特点,建立了铣削切向力和法向力的关系模型。接着,基于阻抗控制理论建立了法向力-位移控制策略,同时基于进给速度与铣削力的关系模型建立了切向力-速度控制策略。在此基础上,进一步考虑进给速度变化对法向期望力的影响,建立了铣削尖轨棱边的柔顺控制策略。基于MATLAB软件搭建了铣削柔顺控制仿真模型,使用了五次多项式轨迹规划、基于卡尔曼滤波的关节速度计算和比例微分控制方法,提高了加工系统的运动控制精度。最后,建立了基于ADAMS和MATLAB的仿真模型,并进行了联合仿真,分析了柔顺控制策略中参数对加工系统力跟踪情况的影响,确定了系统的控制参数;进一步分析了在不同信号下控制系统的响应情况和加工系统末端执行器对铣削尖轨棱边轨迹的跟踪情况,结合铣削力的分布特征,验证了在不同铣削力特征下柔顺控制策略的有效性。

关键词： 减摇鳍   流固耦合   空化   水动力   柔顺控制  

摘要： 船舶在复杂的海洋环境中航行,受到海浪、海流的扰动,会产生六自由度运动,其中以横摇最为剧烈。减摇鳍的应用,使得船舶横摇运动显著降低,减摇鳍系统常规控制方法较为丰富,但其柔顺运动控制的相关研究还不够充分,简单的机械位置控制不能满足当今的减摇鳍工作要求,甚至降低其使用效率,缩短使用寿命。在满足减摇性能要求的同时,实现减摇鳍柔顺控制成为亟需解决的问题,而减摇鳍水弹性以及空化响应分析是柔顺控制中力部分研究的重要一环。由海浪波能谱理论、运动学规律和波长分布规律,分析建立长峰波海浪扰动模型,对船体进行受力分析并建立船舶横摇模型和减摇鳍系统模型。以此为基础,提出减摇鳍水弹性响应分析,利用减摇鳍在流场环境中的附加载荷计算函数和完全耦合算法,建立基于流固耦合原理的减摇鳍动力学模型。考虑到减摇鳍工程应用环境,将空化响应融入到减摇鳍动力学模型的设计中,采取均相流模型方法,将产生空泡的鳍体周围流场等效为均质等密度环境,根据空化程度不同推算出所对应的流场密度,对减摇鳍附加载荷进行修正,达到优化减摇鳍动力学模型的目标。在此基础上,提出基于阻抗控制方法的减摇鳍柔顺控制策略,解决常规控制方法下减摇鳍不具有柔顺性和力的控制问题。以经典的PID控制器输出为期望信号,在减摇鳍水动力学分析的基础上,利用转鳍阻力作为外界扰动力矩,设计减摇鳍系统的阻抗控制器,得到柔顺优化的减摇鳍控制系统,再利用阻抗控制参数设计规则,对阻抗参数进行优化、调试,最终达成利用阻抗控制器的力位转换关系实现鳍体柔性绕轴运动的目的。最后,利用考虑空化效应并基于流固耦合分析的减摇鳍动力学模型与阻抗控制器相结合,解决空化现象与流场附加载荷对鳍体运动状态影响的难题,实现减摇鳍在复杂环境下的柔顺控制。以“育鲲”号减摇鳍为例,搭建仿真模拟环境,设计减摇鳍工况评价指标,通过仿真可知,本文控制策略能够在保证系统减摇效果的前提下,提升减摇鳍系统柔顺性,改善鳍体受力情况。

关键词： 机械臂   非结构环境   柔顺交互   迭代学习控制   滑模变结构控制   导纳控制  

摘要： 随着工业的进步和控制技术的发展,传统机械臂非接触式作业已不足以胜任当今日益多元化的柔顺自动化生产需求。为适应机械臂在非结构环境中接触式作业任务的复杂化、智能化及柔顺化等实际要求,机械臂柔顺交互控制系统已逐步应用在工业场景中。柔顺交互控制与传统位置控制相比,具有更广泛的应用场景、更出色的作业能力、更安全的交互方式,可以更加有效替代人在危险、复杂场景及重复作业中的工作,是当前机械臂控制领域研究热点之一。本文以机械臂与非结构环境柔顺交互为背景展开研究,柔顺完成非结构空间中复杂交互任务为目标,重点针对机械臂柔顺交互过程中交互系统缺乏自适应能力、动态性能差等关键性问题,在导纳控制框架中借鉴滑模变结构控制和迭代学习控制的自适应机制,提出有效的机械臂柔顺交互方法。主要研究内容及贡献如下:1.通过深入对比由易到难交互环境及由恒定到动态期望交互力作业任务中导纳控制各参数对机械臂交互系统柔顺性能的影响,发现调节质量、阻尼和刚度的给定值可改善系统动态和稳态性能,并且环境位置的动态变化情况和任务需求的复杂程度对系统柔顺交互性能影响较大。基于此,分析通过滑模变结构控制和迭代学习控制调节阻尼和刚度系数以优化机械臂交互性能的可行性。2.针对恒定力误差补偿机制导致机械臂与非结构环境接触时缺乏自适应能力的问题,借鉴滑模变结构控制的自适应和鲁棒机制,提出一种基于自适应滑模机制的柔顺交互控制策略。所提控制策略由力跟踪外环和位置控制内环构成。力跟踪外环依据力跟踪误差和滑模结构在线自适应地更新导纳控制器的阻尼和刚度系数。位置控制内环利用位置跟踪误差和滑模变结构控制方法设计位置控制器以跟踪期望位置。仿真实验结果表明,所提柔顺交互控制方法在保证机械臂与非结构环境动态接触过程中稳定交互的同时,也可以确保机械臂在稳态阶段期望力跟踪的准确性。3.针对机械臂与非结构环境交互过程中存在响应时间长、超调量过高、力跟踪误差较大、外界噪声干扰和机械臂模型不确定等问题,借鉴迭代学习控制不断从先验信息中学习有效信息逐步完善控制器的学习机制,提出一种基于迭代学习控制的柔顺交互控制策略。所提控制策略由力跟踪外环和位置控制内环构成。其中,力跟踪外环由PD型迭代学习控制自适应迭代地在线调节导纳控制参数,并通过遗忘因子修正动态补偿量以进一步改善系统的动态性能。此外,基于增益自适应的迭代学习控制构造位置控制内环用于跟踪期望位置。仿真实验结果表明,在机械臂与非结构环境交互任务中,所提柔顺交互策略不仅能够极大程度地减小接触时的力超调,还能缩短系统响应时间。

关键词： 六自由度工业机械臂   目标检测   主动柔顺控制   自适应控制   轴孔装配  

摘要： 随着计算机技术、机器人技术以及智能化技术的发展,智能制造对装配的要求逐步提升,开发自主可控的智能控制系统并实现产业化成为提升我国制造业国际竞争力的重要手段。面向装配任务,现有的解决方法普遍将待装配零部件安装至机械臂末端,并通过位置控制完成装配工作,因此自动化与智能化程度不足,无法解决零部件相对位置出现偏差导致装配失败的问题。为响应我国科技革命与产业变革,提高装配控制系统的智能化程度与鲁棒性,本文将视觉与力感知相结合,设计并搭建基于阻抗控制的机械臂装配柔顺控制系统,为高度自动化、高成功率以及高精度的装配提供了有效的技术方案。 首先,设计基于阻抗控制的机械臂装配柔顺装配控制系统并建立机械臂运动学模型。对装配过程中轴与孔的相对几何特性与力学特性进行分析。面向精密装配任务,制定具备高度智能化与自动化的控制系统总体方案。然后对本文使用的IRB1200＿5＿90型号机械臂进行运动学建模,并对IRB1200＿5＿90型号机械臂关节空间与笛卡尔空间的映射关系进行验证。 其次,设计视觉引导机械臂装配算法。搭建Realsense L515深度相机视觉系统,并基于YOLOv5目标检测算法实现待装配零部件的识别及定位。在装配阶段,由于机械臂需执行多段、连续的直线段运动轨迹,为此设计基于TOPP-RA算法的轨迹二次规划方法,实验表明与直线插值规划方法相比较,二次规划方法在连续直线段运动轨迹的执行效率提高了6.6%。且运动轨迹更平滑。 然后,设计柔顺装配控制策略。基于阻抗控制建立了机械臂力控模型。针对作业环境刚度参数未知的问题,设计自适应律使环境刚度估计值逼近真实值,实现机械臂对期望力的精准跟踪。针对非结构化作业环境刚度及位置参数均未知的问题,设计基于模型参考的自适应阻抗控制方法,修正机械臂末端位姿,控制实际接触力跟踪预设定期望力。与现有的自适应变阻抗控制策略进行对比,结果表明该方法有效降低了80%以上力超调,并在接触力发生突变时显著抑制了力震荡现象。 最后,构建装配柔顺控制系统并进行装配实验。基于IRB1200＿5＿90机械臂、六维力/力矩传感器以及L515相机等硬件设备构建装配柔顺控制系统硬件平台,并基于ROS系统构建了软件平台。进行轴孔装配整体实验,实验结果表明控制系统在视觉系统引导下可以有效抓取并夹持待装配零部件,当机械臂夹持待装配轴零件产生位置偏差时,基于柔顺装配控制策略,能够实现待装配轴的位姿调整,保证接触力的柔顺并避免出现卡阻,在轴直径与孔内径差值为0.56mm的情况下实现精密装配。

关键词： 对接机构   动力学前馈   柔顺控制   自适应力跟踪   漂浮对接  

摘要： 空间对接机构是航天器空间对接的核心任务单元,其对于载人航天活动、空间站建设、航天器在轨维修升级等太空活动具有重要意义。经过近60年的发展,传统基于被动柔顺控制技术的对接机构已不再满足新时代的空间对接任务需求,其中以NASA、欧空局为代表的航天机构均在进行新一代空间对接机构的研制工作。因此有必要面向我国未来的空间探索任务需求,对新型空间对接机构的主动力柔顺控制技术进行研究,以期实现大容差、低冲击的空间快速对接要求。 首先对新型空间对接机构的构型及工作原理进行了分析。建立了对接机构主动部分的坐标系,结合封闭矢量方法完成了主动部分的完整逆运动学分析。利用Newton-Raphson算法对末端主动对接环的正运动学进行了数值解求解分析,通过仿真验证了该迭代算法的精度及收敛性能。 其次基于牛顿-欧拉方程并结合D'Alembert原理完成了对接机构主动部分的逆动力学分析,提出了一种基于动力学前馈的位置阻抗控制策略。通过关节空间内基于动力学前馈的位置控制提高了单杆支链的位置响应性能,将惯性-阻尼阻抗控制器建立在末端工作空间以提高空间对接的适应性,并完成了对接力的空间解算,联合仿真分析了该控制策略在非漂浮空间对接条件下的适用性。 然后为进一步优化对接机构主动部分在对接过程中的柔顺力跟踪性能,提出了一种基于模糊动态更新率的自适应阻抗控制策略。探究了更新率对力跟踪动态响应性能的影响,构建了适应度函数,并利用遗传算法对固定更新率进行了优化。制定了模糊规则,并仿真验证了基于模糊动态更新率的自适应阻抗控制在力跟踪动态响应性能上的优越性。通过联合仿真分析了该控制策略分别在非漂浮及漂浮空间对接条件下的适用性。 最后面向新型空间对接机构的地面验证需求,设计了其主动部分的驱动控制系统。分析了系统功能及硬件接口需求,给出了驱控系统的整体硬件架构。软件部分补充了相关信号的滤波抗扰设计,设计了地面验证系统的人机交互界面。在Labview-Twin CAT软件框架下,提出使用一种具备双数据缓冲区的ADS数据交换方式,以满足验证系统的高效高速数据采集要求。