关键词： 曲面跟踪   柔顺控制   先验轮廓倾角   法向控制速度  

摘要： 在机器人曲面磨抛过程中,当末端工具与工件曲面相对运动时,控制机器人运动使二者间的接触力保持在某个恒定期望值,对于曲面磨抛的质量控制具有重要的作用,对于进一步展开机器人磨抛工艺研究也具有积极的意义。针对过去力信号难以及时补偿将来轮廓变化而导致法向接触力不平稳的问题,提出一种基于力反馈和先验轮廓倾角的柔顺控制方法。首先基于阻抗控制方程建立机器人曲面跟踪柔顺接触模型,引入法向控制速度,推导出其与力反馈信息间的映射关系。同时,设计在线轨迹生成器,利用先验轮廓倾角计算法向先验速度,并对法向控制速度进行实时修正。最后将所提方法运用至机器人曲面跟踪物理实验,实验结果表明,该方法相比无先验速度修正的柔顺控制,能有效避免凸面/凹面区域下法向接触力震荡,力方差减小55%以上。

关键词： 四足机器人   单腿系统   跳跃运动   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 为了解决四足机器人运动过程中的着地冲击力问题,设计了一种基于力的阻抗控制的柔顺控制方法。以四足机器人单腿系统的结构为基础,对其进行运动学分析,进一步求解其速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵。将单腿系统简化为"质量-弹簧-阻尼"模型,分析研究单腿系统的跳跃运动特性并规划质心运动轨迹。基于阻抗控制的思想,设计了基于力阻抗控制方法的内环控制器和外环控制器,利用Adams-Simulink联合仿真,通过跳跃运动仿真研究了基于力的阻抗控制方法在跳跃运动中的柔顺效果。搭建四足机器人单腿实验平台,对四足机器人单腿系统进行实验研究,实验结果表明基于力的阻抗控制在机器人的跳跃运动中具有较好的柔顺效果。

关键词： 双臂空间机器人   弹簧阻尼装置   缓冲柔顺控制   模糊小波神经网络   强化学习  

摘要： 为了避免空间机器人双臂捕获卫星操作过程中关节被冲击载荷破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD).该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合所设计的缓冲柔顺策略将冲击力矩限在安全范围内.首先,针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统,分别利用耗散力Lagrange方程法与Newton–Euler法建立了其动力学模型.然后,结合动量定理、速度约束、闭链几何约束及牛顿第三定律,导出了捕获后的闭链混合体系统动力学模型.针对混合体系统的缓冲柔顺控制问题,提出一种基于模糊小波神经网络的强化学习控制策略,该策略通过自适应惩罚单元处理原始强化信号获得二次强化信号,具有极强的环境适应能力.最后,利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性,数值仿真验证了弹簧阻尼装置的抗冲击性能及所提策略的有效性.

关键词： 物理柔顺驱动器   变阻尼   弹簧-阻尼并联   力控制   位置控制  

摘要： 随着机器人技术的不断发展,机器人逐渐从工业应用场合走向服务、医疗和救援等需要在非结构化环境进行作业的应用场合。这些新的应用场合要求机器人具有更好的环境适应性和人机交互安全性,与此同时也要具备较好的力控制和位置控制性能,而传统的由刚性驱动器驱动的刚性机器人很难同时满足这个需求。通过物理柔顺驱动器对机器人进行关节驱动,则可提高机器人的环境适应性与人机交互安全性,同时也能提高机器人的力控制稳定性。物理柔顺驱动器虽然能提升机器人的柔顺性以及力控制稳定性,但因为引入了弹性元件,系统的机械带宽会被降低,从而导致驱动器力控制的动态响应能力下降。此外,弹性元件的引入也会诱导系统产生震荡,这会影响驱动器的位置控制能力。针对以上问题,本文在传统的串联弹性驱动器的基础上,提出了一种可变阻尼的弹簧-阻尼并联驱动方案。本文首先对这种驱动方案进行了动力学建模分析,经过在频域和时域上的分析,发现该方案能够在保证驱动器柔顺性的同时较大地提升力控制和位置控制性能。随后,本文基于该驱动方案设计了一种可变阻尼的弹簧-阻尼并联柔顺驱动器,该驱动器的弹性单元与阻尼单元为并联结构,其中阻尼单元为一个基于流体动力学的变阻尼器。变阻尼器可通过变阻尼调节机构改变阻尼孔的大小,从而实现变阻尼功能,变阻尼调节机构嵌入在驱动器的传动轴内部,能够有效保证驱动器的紧凑性。此外,因为该驱动器的弹簧-阻尼并联结构,当变阻尼器的阻尼孔被完全关闭,驱动器可由柔顺驱动器转化为刚性驱动器。基于该驱动器的变阻尼特性,本文首先提出了一种可有效控制物理阻尼的变阻尼控制算法,随后提出了两种均融合了变阻尼控制算法的变阻尼力控制算法和变阻尼位置控制算法。通过仿真分析和实验验证,证明本文所提出的可变阻尼的弹簧-阻尼并联柔顺驱动器在保证驱动器的柔顺性的同时,可有效提高物理柔顺驱动器的力控制和位置控制能力。本文研究为物理柔顺驱动器在机器人上的实际应用提供了新的思路与方法支持。

关键词： 双机器人协作   轮毂打磨   三维点云   轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 多机器人协调作业技术是机器人领域中的一个研究热点。本文针对汽车轮毂等复杂工件在机器人打磨过程中作业空间受限、未知环境交互、空间轨迹不易获取等问题,开展一种双工业机器人协作轮毂打磨及柔顺控制关键技术研究。主要研究内容如下: (1)双机器人协作打磨轮毂方案及工艺研究。以工业机器人打磨为背景,从轮毂特性参数及打磨工艺性出发,设计了双机器人协作打磨轮毂方案。提出了双机器人协作打磨系统结构组成和协作打磨仿真平台,分析了相关技术方法的合理性,为后续双机器人协作打磨提供关键技术支持。 (2)基于三维点云的双机器人协作打磨轨迹规划研究。确定机器人正逆解算法后建立双机器人协作打磨坐标系和待打磨点、打磨工具位姿数学模型,构造运动学约束关系。激光扫描臂构建的轮毂三维点云模型规范姿态标准化,用轮毂表面最大主曲率绝对值当作拟合曲面曲率的估计值,以此作为特征区分性的标准来提取点云特征线。特征点云拟合成空间打磨轨迹代入Matlab/Simscape下搭建的仿真平台验证协调运动方法的可行性。 (3)双机器人协作柔顺控制及力感知信息处理。分析主从控制模式的双机器人打磨力学模型,对传感器系统采集的力/力矩信息进行"滤波+重力补偿"处理获得精准的接触作用力。并根据协调运动中位置/力转换关系确定双机器人协作的柔顺控制方法,阻抗参数特性仿真分析控制的柔顺性。仿真平台验证双机器人协作控制模型及算法的可行性。 (4)双机器人协作打磨系统的搭建及实验验证。以d SPACE为控制器控制两台工业机器人完成基座标系标定、力信息处理、阻抗控制柔顺性、协作打磨控制实验。实验结果表明:负载端重力补偿消除力误差,双机器人协作打磨控制时打磨机器人对期望轨迹有效跟踪并位置补偿,完成位置/力转化并协调打磨运动,验证了双机器人协作打磨整体方案及系统算法模块的有效性。

关键词： 并联机器人   轨迹规划   柔顺性控制研究   位置控制  

摘要： 并联机器人由于独特的结构特性和特殊的奇异位型,使得对其进行轨迹规划显得特别重要。并联机器人的轨迹计划一般有两个目标,一是在工作空间内找到所有可到达路线,并完成无奇异的设计;其二是对轨迹函数的选择。对工作空间和奇异规划国内外常采用图论法、人工势场法、非线性法等方法来解决,而轨迹函数的选择通常是单一的函数,但是上述的方法对3-TPT型少自由度并联机器人并不十分适用。针对轨迹规划问题,首先要分析3-TPT并联机器人的运动学和动力学。本文将通过矩阵法,对3-TPT并联机器人进行运动学分析,得到了并联机器人的运动位置逆解方程。进而求得在并联机器人运动学逆解条件下的雅各比矩阵,从而判定并联机器人是否有奇异位置。结合3-TPT并联机器人的结构参数、驱动杆伸缩长度、胡克铰角度的摆动极值,限定了在后续加工过程中刀具的定位空间和姿势范围。在分析了几种轨迹规划函数的基础上,选定了基于合成运动椭圆弧轨迹,即确定刀头点的运动轨迹为行距式,其转向曲线为椭圆,使用3-4-5次多项式对转向角度进行规划,以保证所规划的轨迹在姿态能力之内。最后对3-TPT并联机器人的柔顺性控制策略进行了研究,建立了3-TPT并联机器人与未知环境柔顺性控制的等效模型,即各个模型都等效为一个互相独立的“弹簧-质量-阻尼器”体系,即各个模型具备相应惯量、刚度、阻尼,建立一个3自由度的等效阻抗控制模型。采用ADAMS仿真软件对并联机器人等效控制模型进行了仿真,并对并联机器人的轨迹规划进行了实验,最终建立一个通过位置控制进行柔顺加工的3-TPT并联机器人柔顺控制系统。

关键词： 自由漂浮空间多臂机器人   柔顺控制   基座姿态  

摘要： 随着空间探索的不断深入,对大型航天器和空间大型结构的需求日益增加。为了突破运载火箭载荷对航天器质量和尺寸的限制,利用空间多臂机器人对航天器和空间结构进行在轨装配和服务的方法逐渐成为空间技术的发展方向之一。在执行任务过程中,空间多臂机器人与目标负载组成的协调操作系统中存在内力,失去对内力的控制将会导致任务的失败,造成极大的损失。因此,在确定空间多臂机器人控制策略时,不仅需要考虑目标和机械臂的位置,还需要对系统中的内力进行控制。本论文以自由漂浮空间多臂机器人为研究对象,针对大型目标负载的操作任务,研究空间多臂机器人协调操作柔顺控制,建立空间多臂机器人的动力学模型,设计空间多臂机器人柔顺控制器,进而完成考虑基座姿态的空间多臂机器人柔顺控制优化,建立协调操作系统的动力学模型,设计考虑未知因素的空间多臂机器人柔顺控制器,最后完成自由漂浮双臂机器人地面验证实验对所提理论的有效性和正确性进行验证。主要研究工作如下:首先,对空间多臂机器人柔顺控制方法进行研究。完成空间多臂机器人运动学和动力学建模,得到空间多臂机器人各机械臂末端运动、关节运动和基座运动之间的映射关系;分析协调操作系统中空间多臂机器人与目标间运动的约束关系,进而构建空间多臂机器人柔顺控制器,实现各机械臂末端位置和系统内力的同时控制。其次,研究考虑基座姿态的空间多臂机器人柔顺控制优化。分析协调操作系统的线动量和角动量,建立动量守恒方程,完成各机械臂关节运动和基座运动的解耦;完成基于零空间法的基座姿态调整方法研究,将基座运动和操作任务解耦,实现考虑空间多臂机器人末端运动与基座偏转的规划;将基座姿态调整方法引人空间多臂机器人柔顺控制器中,实现基座姿态无扰的柔顺控制。之后,对考虑未知因素的空间多臂机器人柔顺控制方法展开研究。分析协调操作系统中的力约束关系,建立目标的动力学模型,进而完成协调操作系统的动力学建模,获得目标运动与空间多臂机器人关节驱动力、系统内力之间的映射关系;引入滑模补偿项,建立考虑未知因素的空间多臂机器人柔顺控制器,减少空间多臂机器人和目标负载参数未确知对控制精度造成的影响。最后,以实验室目前的微重力气浮实验平台为基础,对实验平台进行改造,包括进行气浮平台三维可视化软件的开发,完成六维力传感器等信息采集设备的配置,对双臂机器人系统控制平台进行搭建等;进而设计自由漂浮双臂机器人柔顺控制策略验证实验方案,进行实验并保存实验数据;最后对实验的结果进行分析,验证柔顺控制方法的有效性和正确性。

关键词： 机器人抓取   深度学习   姿态估计   深度学习   柔顺控制  

摘要： 机器人技术的快速发展使得制造业开展形式产生了改变,机器人被广泛应用于军事、医疗和生活等领域。机器人执行的主要操作为抓取与放置,通过视觉传感器赋予机器人场景理解能力对增强机器人抓取能力具有重要意义。但当目标物体形状不规则且摆放较为杂乱时,仅通过二维识别算法获取物体的位置信息与旋转角度不满足复杂抓取要求。传统的三维识别算法运行速度较慢,不满足实时性要求,并且在背景复杂存在遮挡的场景下表现不佳。本文对位姿估计方法开展了研究,基于深度学习提出了一种具有实时性的6D位姿估计算法来提高位姿估计的准确度。机器人执行放置操作时,仅采用位置控制容易与放置平台发生刚性接触,易损伤抓取物体。通过力觉传感器引导放置可以很好地保护易破损物体。本文采取了基于导纳原理的柔顺控制方法进行放置作业,通过力觉传感器对接触力进行感知,之后对机器人末端位置进行调整避免损伤物体,本文主要研究内容与成果如下:搭建了基于视觉和力觉引导的机器人抓取与柔顺放置系统。基于UR3e机器人搭建了实验平台,对相机内参进行标定,其投影重误差符合实验要求。构建了“Eye-to-Hand”手眼系统并对手眼系统进行了标定,获取了旋转矩阵与平移矩阵,得到了机器人末端与相机的相对位置关系。本文基于YOLO-6D算法进行了改进,原算法具备较快的运行速度,但在背景复杂且存在遮挡的场景下准确率较低。本文将原有的YOLO V2检测网络更换为YOLO V3网络,可以从图像中提取出更多的局部特征,提高算法在遮挡场景下的识别能力。并引入SENet来形成注意力机制,可以将更多的资源倾斜至有用特征,降低复杂背景对目标物体识别的干扰。另外调整了位姿估计方法,选择cell群进行基于RANSAC的EPn P姿态估计,通过多次迭代来提高姿态估计的准确率。实验表明,本文的算法有效地提升了对被遮挡物体的检测能力并提高了姿态估计的准确率。相较于其他常见的姿态估计算法,具有更优越的性能。针对柔顺放置任务,采取了基于导纳原理的柔顺控制方法。该柔顺控制方法的精度主要取决于机器人的位置控制精度,计算量较少且鲁棒性较强。UR3e型协作机器人具备较高的位置控制精度,采用基于导纳原理的控制方法可以达到较好的控制精度并满足实时性要求。之后并通过力觉引导示教实验测试了机器人的多维力控效果,机器人可以很好地对预期轨迹进行跟踪,证明了本文柔顺控制方法具有较好的柔顺控制效果。依托搭建的实验平台,进行了目标物体姿态估计实验与柔顺放置实验。姿态估计与抓取实验结果证明本文姿态估计算法具备较高的性能,可以对被遮挡物体姿态进行准确估计。柔顺放置实验中,采用基于导纳原理的柔顺控制方法使得抓取物体接触实验平台时接触力变化缓慢,波动较小,可以很好地保护易破损物体。

关键词： 协作机器人   柔顺控制   关节力矩传感器   阻抗控制   自适应阻抗控制  

摘要： 传统工业机器人大多只具有位置控制,不能在与外界接触时展现出柔顺性,通常必须远离人群进行工作。协作机器人则可实现柔顺控制,使人与机器人的安全交互得到了保障,进而可与操作人员协作完成一些复杂多变的任务。本文以加装关节扭矩传感器的泰科TA6-R5机器人作为研究对象,使用绝对值编码器和关节力矩传感器作为关节位置反馈与力的反馈,展开基于力位双反馈的阻抗控制器设计、验证,以及阻抗参数特性研究。其中,柔顺控制中操作空间的位置控制经由运动学转到关节空间,以关节模组内的绝对值编码器为位置反馈,控制电机转动实现位置控制。关于阻抗模型中接触力的感知,使用关节力矩传感器获取关节力通过重力矩补偿经计算获得。主要完成了以下工作:(1)对机器人使用改进DH法进行运动学建模和轨迹规划,建立操作空间的末端运动与关节空间的关节运动的函数关系。为阻抗模型中的末端运动控制提供机器人关节转动的解决方法。使用拉格朗日法建立机器人的动力学模型。获得重力项补偿力矩,与关节力矩传感器的力反馈信号结合,求解输入阻抗模型的实际接触力。(2)分析基本的阻抗控制方法,研究基于关节力位反馈信息的机器人位置阻抗控制方法。对机器人在该控制方法下的力跟踪误差进行理论推导,并针对此进一步设计自适应阻抗控制方法。利用MATLAB/Simulink完成自适应阻抗控制下的力跟踪仿真验证。(3)进行柔顺控制实验,对本文所设计的控制方法进行验证,并以其他实现方式作为对照。实验内容为力牵引、阻抗参数影响分析及平面恒力打磨实验。实验结果证明了基于力位双反馈的协作机器人柔顺控制方法的可行性,以及分析了阻抗参数对控制系统的影响。