关键词： 真空机械手   运动学建模   动力学建模   伺服系统   电机控制  

摘要： 半导体智能制造涉及的学科技术较多,其中运动规划和柔顺控制是半导体智能机器人技术研究的基础和重点。针对新松公司自主研发的MAG8真空机械手的特殊工作环境、晶圆易脱落等问题,完成了机械手的运动规划与柔顺控制研究。首先对其机械结构和运动方式进行了简要的介绍,可实现双臂的升降、旋转、伸缩动作,其次提出了Modify Denavit Hartenber法分析运动规划,建立了直驱型真空机械手上升轴和伸缩轴各连杆运动关系描述模型。再此,分析了直驱型真空机械手机械传动结构关系,采用牛顿-欧拉法计算各个关节力矩值解决了机械手柔顺控制问题,建立了用于分析各个关节力矩传递关系方程。经过对真空机械手进行仿真结果分析实验,验证了正、逆运动学过程的有效性。齐次变换矩阵可以实现MAG8运动部件以及大多数工业机器人的坐标变换,可用于MAG8的轨迹规划。对理论力矩值和这里所提出方法的实际力矩值进行对比,为进一步为柔顺控制的物理平台作业奠定了基础。

关键词： 铁钻工   柔顺控制   机电液联合仿真   轨迹规划   阻抗控制   PID控制器  

摘要： 铁钻工在运行过程中存在较大的负载扰动,且特定工况下需要实现力控制,控制精度达不到期望要求,容易造成管道损坏。对此,采用阻抗控制方法控制铁钻工的运动,研究液压缸的位移与力跟踪性能。通过建立铁钻工机构运动简图,并利用解析法求得正逆运动学方程。为了提高运动轨迹柔顺性,采用五次多项式插值方法对铁钻工进行运动轨迹规划。设计阻抗控制方法,内环通过PID控制器进行位置控制,外环控制力。通过AMESim和Simulink分别建立铁钻工动力学模型、液压系统模型及阻抗控制模型,通过联合仿真模拟铁钻工运行过程。结果表明:铁钻工在未与环境接触工况下及环境接触工况下均具有良好的位置控制精度,与不采用阻抗控制器相比力跟踪精度提高了42.4%。

关键词： 水下机械臂   柔顺控制   液压系统  

摘要： 水下液压机械臂是用于水下特种作业的重要装备。目前控制液压机械臂进行水下作业时主要基于视觉反馈来确定作业位置,由于摄像头畸变、水流干扰等存在多种作业误差,容易在抓取、定位等作业时产生卡滞、楔紧等问题,严重影响作业效率和安全性。对此,提出了一种面向水下液压机械臂的主被动柔顺控制方法。通过末端夹具设计,补偿定位误差和偏转误差,实现被动柔顺;基于虚拟解耦控制方法建立精确位置控制器,结合接触力观测器和变阻抗控制,实现主动柔顺。实验验证了主被动柔顺控制的有效性,为水下液压机械臂的安全柔顺控制作业提供了参考。

关键词： 多臂协同   改进粒子群优化算法   PID控制  

摘要： 针对多臂协同复合机器人在焦炉顶炉口执行多臂协同测温作业时的稳定性,本文设计一种基于改进粒子群优化(IPSO)算法的PID柔顺控制系统。对于焦炉顶炉口测温,首先设计了多臂协同复合机器人来实现移动过程中的焦炉顶炉口测温作业;其次搭建机械腿与PID控制模型;并运用于PID控制器参数整定,与Z-N法进行比较,改进粒子群的PID柔顺控制模型调节时间缩短26 s,超调量更小;最后,通过Simulink与Adams联合仿真得到复合机器人的各运动参数曲线。结果显示,多臂协同复合机器人在前进2000 mm过程中,机身只有0.45 mm的偏移,整体运动速度最大可达100 mm/s,膝关节最大关节角速度稳定在48(°)/s和54(°)/s,在机器人稳定运行范围内。结果表明多臂协同复合机器人稳定运动,能够很好地实现焦炉顶炉口测温作业。

关键词： 手术机器人   人机交互   模型预测   导纳控制   安全约束  

摘要： 针对半主动型膝关节置换手术机器人的柔顺跟随医生意图运动和手术安全范围约束问题,提出了一种模型预测导纳控制算法.首先,为了提高算法运行效率,使用斯特林插值方法对机械臂动力学模型进行线性化,并作为预测模型,该方法计算简单且求解精度高;其次,基于导纳模型力柔顺控制机理识别操作医生的力意图生成机械臂期望运动轨迹;然后,设计虚拟状态,提高模型预测控制算法的显式处理约束能力,利用模型预测控制的滚动优化和反馈校正特性提高控制鲁棒性;最后,结合成机械臂模型预测导纳控制器.设计三环PID(Proportional integral derivative)控制对照试验,验证了模型预测控制算法的轨迹跟踪性能更好,可以更好的实现期望的导纳动态,从而得到更优的柔顺效果.在此基础上,进一步验证模型预测导纳控制器在具有强耦合性、复杂系统参数结构特性的机械臂上的主动约束效果.结果表明模型预测导纳控制算法能实现比传统三环PID控制更好的柔顺性,且具备满足膝关节置换手术需求的安全性.本文有望促进半主动手术机器人的实际应用.

关键词： 上肢康复机器人   柔顺性控制   阻抗控制   轨迹规划  

摘要： 为解决脑卒中患者在被动康复训练过程中的柔顺性控制问题,提高患者在康复训练过程中的安全性和舒适性,提出了一种基于阻抗控制的上肢康复机器人被动柔顺性控制系统。系统由轨迹规划和轨迹跟踪2部分组成。首先,为解决柔顺性控制问题,以患者人机交互力为基础,通过使用阻抗轨迹调节器,对初始期望轨迹进行修正,实现康复机器人柔顺性控制。其次,为提高患者在康复训练过程中的安全性,通过增添阻抗控制器对出现外界扰动的运动轨迹进行补偿,防止患者出现二次损伤。最后,基于Matlab/Simulink对系统进行柔顺性控制和阻抗控制仿真实验,验证了所提被动柔顺性控制系统的有效性和可行性。

关键词： 阻抗模型   采摘机器人   抓取力   电机转矩   电机转速   位置控制器  

摘要： 果蔬采摘是一项复杂且耗时的任务,需要处理各种动态、不规则的果蔬形状和位置,同时保证果蔬的完整性和新鲜度。因为常规采摘控制方法效率低下,而且容易造成果实损伤,为此,提出一种阻抗模型下的采摘机器人末端柔顺抓取力控制方法。以采摘机器人末端柔顺抓取稳定性为约束条件,根据运动学原理分析手指末端电机的电磁转矩与转速间的关系,利用毕奥-萨伐尔定律获取抓取力控制信号。基于阻抗模型、二阶系统设计抓取力控制器,通过二阶低通滤波器调节电机运转,得出机器人抓取的期望位置、速度及加速度,完成抓取力控制任务。实验结果表明,阻抗模型可应用于各种果蔬采摘场景,且末端柔顺抓取力控制误差小,稳定性高,解决果蔬采摘存在的难题,推动农业生产的现代化和智能化。

关键词： 人机协作   人机物理交互   柔顺控制   机器人柔顺性  

摘要： 机器人柔顺行为是指机器人能够动态调整自身运动策略,从而对人或环境的物理交互表现出一定的顺从性。本文围绕机器人柔顺行为控制方法进行综述。首先依据不同的控制回路对柔顺控制方法进行了分类。然后分别对在运动控制回路的实现方法、在路径规划回路的实现方法和在任务调度回路的实现方法进行了整理,分析了每种方法赋予机器人的不同柔顺性特征。最后总结了机器人柔顺控制的几种典型应用,展望了机器人柔顺控制技术的未来趋势,以期为机器人柔顺控制研究提供新的思路和方向。

关键词： 阻抗控制   挤奶机器人   柔顺控制  

摘要： 挤奶作业是乳制品产业中的重要步骤,但目前国内牧场大部分仍使用人工进行挤奶作业,引入高智能化自动挤奶装置是未来畜牧业现代化发展的趋势。为了避免挤奶作业中奶牛与机械臂接触时出现破坏或受伤等情况,提出一种基于阻抗控制的机器人柔顺控制方案,可有效提高机器人的柔顺性。通过六维力矩传感器获取力反馈信息,并根据反馈力矩进行避让操作,进而控制机器人的挤奶作业,避免奶牛在与机器人接触时发生伤害性碰撞。仿真结果表明,该方案能够有效适应挤奶机器人与环境触碰时的接触力,提高智能挤奶机器人的柔顺性。

关键词： 微创手术   手术机器人   手术导航   柔顺控制   智能控制  

摘要： 机器人辅助微创手术,因其低侵袭性而变得越来越普遍。然而,因定向障碍和缺乏导航信息限制了其在经自然腔道手术的进一步应用。自然腔道解剖结构复杂,机器人末端的手术器械易损伤周围血管和神经。本研究设计了一种智能控制导航手术机器人系统,使用可靠和安全的定位技术、7自由度机械臂以及避免关节角度限制的逆运动学控制策略,以实现高灵活度的机械臂控制。基于患者术前影像进行手术导航与手术规划,并通过阻抗柔顺控制将患者与手术器械的接触力限制在一定范围内,实现保护患者的正常组织。为了提高手术精度并缓解医生的手术强度,智能语音控制实现术中手术器械位置和姿态的微小调整。基于体模和尸头实验进行系统的有效性验证。结果显示,本系统的定位误差小于1 mm,轨迹追踪角度误差小于2.5°,术中导航可进行实时手术靶点与器械跟踪,阻抗柔顺控制可将手术器械与患者之间的接触力降低在1.2 N以下,基于语音识别的精细调控可以满足术中对手术器械运动控制的要求。本研究的结果初步表明,所设计的手术机器人系统在机器人辅助微创手术中具有潜在的应用前景。