关键词： 机器人   恒力磨抛   柔顺控制  

摘要： 目前,毛坯件加工成品的主要方式仍是传统机床磨抛和人工磨抛。近年来,由于对磨抛自动化、磨抛品质和磨抛复杂型面的追求,机器人磨抛技术的研究在得到了广泛关注和快速发展。有研究表明,磨抛力是影响产品品质的重要因素之一,所以在机器人磨抛应用中,力控技术是关键技术。本文基于UR3e协作机器人搭建了一套机器人恒力磨抛平台,主要研究内容和成果如下:首先参照改进型D-H参数法确定了UR3e协作机器人的运动学参数,推导了UR3e协作机器人运动学方程。在Matlab中编写了运动学求解函数,通过数学仿真验证了求解方法的准确性,为后续协作机器人磨抛轨迹的正确性和可行性验证提供了数学基础。然后研究了一种基于正向动力学和虚拟模型控制的笛卡尔柔顺控制方法,并对其进行详细的理论推导。搭建了UR3e协作机器人Gazebo仿真环境,提供了近似真实世界的物理仿真环境,为真实机器人实验的可行性和安全性奠定了基础。针对该笛卡尔柔顺控制算法提出了其在力控上存在的潜在缺陷,并通过采用实时PID补偿控制解决了力控缺陷,从而实现真实期望磨抛力。接着针对UR3e协作机器人中集成的六维力传感器进行预处理,包括工具重力补偿和实时力数据滤波处理。通过重力补偿解决了不同姿态下由于工具重力带来的影响,通过实时卡尔曼滤波解决了六维力传感器波动较大的问题。对笛卡尔柔顺控制算法进行了参数整定,摸索出一套合适的控制参数组合,包括迭代次数、PD控制参数、虚拟刚度系数和轨迹插值密度,对后续实际磨抛实验的控制准确性和稳定性奠定了基础。在上述步骤下完善了机器人恒力磨抛平台,并在上述基础上设计和进行了平面磨抛实验和曲面磨抛实验,实验结果表明该机器人恒力磨抛平台在平面和曲面磨抛应用中具有通用性,同时在软质金属应用中相较人工磨抛和机床铣抛而言效果优越,能够达到替代人类进行磨抛的目标。

关键词： 协作机器人   柔顺控制   无力传感外力估计   动力学   参数辨识  

摘要： 随着我国制造业往智能化的方向发展,机器人的应用场景日益广泛。传统的工业机器人大多采用位置控制模式,主要追求较高精度的轨迹跟踪和重复定位,而当下社会的发展对机器人提出了更高的期望,需要其在工作空间中独立或配合完成精密装配、抛光打磨、人机协作等与外界产生交互的任务,这就要求机器人必须具备一定的交互能力,单靠机器视觉并不能可靠的实现这一目标,所以力控技术是机器人发展的重要方向之一。要实现力控,机器人具备感知外力的能力至关重要,传感器通常是测量物理量的首要选择,但是高精度的机器人力或力矩传感器价格不菲,直接使用力传感器将大幅增加控制成本,所以低成本的外力估计方法是机器人技术的研究热点之一。 要实现无力传感器的外力检测,必须依赖于准确的机器人动力学模型,模型中参数的准确与否将直接影响动力学计算的准确度,而较准确的动力学参数通常无法直接得到,需要通过参数辨识实验获取。当机器人检测到外力后,如何应对也是力控技术中的关键一环,综上,为实现无力传感器的外力估计,主要展开了以下几个方面的研究: (1)以Xarm6协作机器人为研究对象,采用拉格朗日法对其进行动力学建模,得到标准的机器人动力学方程,然后对其线性化,变换为观测变量矩阵乘以最小参数集的形式。再引入关节摩擦模型,进一步提高动力学模型的准确性。 (2)用五阶傅里叶级数设计并优化激励轨迹对Xarm6协作机器人进行充分激励,然后用线性化动力学方程和加权最小二乘法根据采集并滤波处理后的数据进行离线动力学参数辨识。先通过MATLAB和CoppeliaSim软件联合仿真验证了线性化动力学模型的正确性和参数辨识方法的可行性,再对Xarm6协作机器人进行了参数辨识,进一步说明辨识方法的正确性。另外,用快速动力学参数辨识的方法确定出低速运动状态下的Xarm6协作机器人的模型参数,并通过实验说明了该方法的可行性和低速动力学模型的正确性。 (3)根据完整动力学模型,设计外力观测器实现对外力的估计。本文提出了一种将基于逆动力学和广义动量偏差外力观测器结合的方法,可以兼顾两种方法的优势并互补各自的不足,通过仿真实验说明了该方法的有效性。另外,根据低速动力学模型设计了基于逆动力学的外力观测器,通过Xarm6协作机器人实验平台说明了低速下该外力观测器的有效性。 (4)基于外力估计结果和阻抗思想,设计了导纳控制器,对机器人进行柔顺控制以实现与环境的良好交互,通过仿真实现了基于外力估计的柔顺控制,检验了该外力估计方法的可行性和实用性。

关键词： 仿壁虎机器人   弧面运动   恒力接触   柔顺控制   力学调控  

摘要： 船舶、飞机与大型建筑这一类的设施造价昂贵,且处于长期处于高腐蚀性、高紫外线的环境中,外表极易发生损坏,对其表明定期的检修至关重要。人工检修往往效率低下,检修机器人的开发将很好的解决这一问题。检修机器在作业时面临最大的问题是在大型设施竖直面上的运动能力,而基于干黏附的足式仿壁虎机器人拥有出色的攀爬能力,是针对这一问题的良好解决方案。在面对竖直方向的弧面时,仿壁虎机器人需要一定力学控制与姿态调整,以适应弧面曲率的变化,然而这一方面的研究目前仍然缺乏。本文针对这一问题设计了一款足式的仿壁虎机器人,并对它在不同曲率内外弧面上的运动策略进行研究,本文的主要工作包括: (1)根据壁虎的生理结构与运动姿态,设计一款基于干黏附的足式仿壁虎机器人,并根据设计要求对其硬件系统进行选型;通过运动建模的方法,推导仿壁虎机器人的正逆运动学与雅可比矩阵;对仿壁虎机器人在弧面上运动的姿态进行分析,并规合理划机器人迈腿顺序的足端运动轨迹,使机器人拥有一定的弧面适应能力。 (2)对仿壁虎机器人在弧面上单腿的黏脱附策略进行研究,设计恒预压力接触控制算法对黏附预压力有效控制,通过实验寻找到最适应黏附预压力与控制算法的参数与弧面曲率之间的对应关系;结合位置控制与力学柔顺控制的优势设计基于力位混合交替控制的仿壁虎机器人足端柔顺脱附控制算法,在保证位置追踪精度的基础上使脱附力降低65%以上。 (3)对仿壁虎机器人在竖直弧面内外侧不同运动步态下,摆动相腿对机身稳定的影响进行分析,设计支撑相腿的主动柔顺运动控制算法与力学调控算法。通过力学调控算法的优化,仿壁虎机器人在内外弧面上运动时,黏附面积的稳定度提升了16.55%与28.32%,机身的姿态角稳定度提升了31.6%与36.75%。

关键词： 驱控测一体化   协作机器人   碰撞检测   柔顺控制   零力控制  

摘要： 传统工业机器人因其体积庞大,示教困难复杂,安全系数低等在许多场景下产生局限性。在3C、医疗和精密制造装配等复杂动态非结构化场景中,机器人与人、机器人与环境的共存对机器人系统提出了新的要求:安全协作,高效共融和友好交互。本文以新型驱控测一体协作机器人系统为研究目标,创新性的将“模块化”思想和“协作共融”特征相结合,分别从关节模块和整臂层面进行控制系统开发。基于运动学及动力学等关键基础技术,对人机交互中必需的高灵敏碰撞检测,柔顺控制及零力拖动关键技术进行理论创新并应用,有效提高机器人协作性及安全性。本文主要研究内容如下:首先,搭建驱控测一体协作机器人及控制系统:研发具有协作特性的轻量紧凑机器人模块,采用驱控测一体化方案,高度集成电流、位置、力矩和温度等传感器,开展多维度感知能力和柔顺控制技术等研究,为搭建协作型机器人系统提供基础单元。以关节模块为基础搭建协作机器人,进行软硬件系统开发。其次,实现协作机器人运动学及动力学建模和参数辨识:以本文所研发协作机器人为基础,构建整臂运动学传递模型,推导并求出正逆解;基于拉格朗日法建立统一机器人动力学模型并完成基于CAD模型的参数辨识;对各关节建立改进的Lu Gre摩擦模型,基于有权重的最小二乘法进行摩擦辨识。再次,研究协作机器人碰撞检测算法:提出一种动力学前馈的二阶广义动量碰撞检测算法。根据驱控测一体关节动力学模型,引入前馈优化因子并设计基于广义动量的外力观测器,结合模型误差及误差频域分布进行分析,建立外力观测阈值进行实时碰撞检测和碰撞信息获取,最后建立碰撞判定函数确定碰撞信息及碰后策略。接着,研究协作机器人柔顺控制及零力控制算法:提出一种基于位置环的变阻抗模型,并结合接触力误差模型构建自适应阻尼项,实现自适应力跟踪算法,并基于劳斯判据验证该算法鲁棒性;建立柔性关节模型,基于此搭建削弱摩擦力矩及惯性力矩的实时重力补偿控制器,提出的重力矩自测法对不同负载下的模型进行重力矩参数实时更新,减少因参数不确定性和复杂性带来的系统不稳定性问题。对各关节构建基于关节传感器实时外力反馈的力闭环控制框架,最后基于无源性理论证明该算法的可靠性。最后,分别搭建单关节实验平台和五轴协作机器人实验平台,针对本文所提出的碰撞检测、柔顺控制、零力控制算法分别进行实验验证,实验结果验证了本文所搭建机器人系统的可行性和所提算法的有效性。

关键词： 手术机器人   内窥镜   RCM   柔顺控制   视觉伺服  

摘要： 在现有的腔镜手术中,扶镜医生需要手持内窥镜,配合着主刀医生的操作实时调节内镜视野,并保持视野稳定。该作业过程耗费体力大,挤压主刀医生活动空间,浪费医疗专家资源,医院迫切需要一种机器人辅助技术,替代扶镜医生作业,在人机共融场景下完成腔镜手术。然而,由于缺少通过人机协作实现扶镜作业的控制方法,也缺乏基于术中图像引导的内窥镜自主调节方法,机器人在实际腔镜手术中的应用推广受到了制约。为解决以上问题,本文提出了一套基于通用协作机械臂的扶镜机器人控制系统解决方案,主要展开了以下研究工作:1、RCM约束下的扶镜机器人运动学模型求解。本文针对微创手术必须满足的RCM约束条件,扩展了牛顿迭代逆运动学解法,以机械臂末端跟随误差与RCM点偏差共同作为为迭代误差,以获得满足RCM约束的机械臂逆运动学解。并在此求解结果上,讨论了RCM点发生运动和约束放松情况下的特殊求解方法。此外,本文还针对机械臂可能出现的奇异性问题,提出了解决方案。该求解结果为后续算法开发提供了理论基础。2、基于柔顺力控制策略的扶镜臂人机协作控制方法。针对手动调节机械臂末端内窥镜视野的需求,本文提出了一种满足RCM约束的柔顺力控制方法,该方法首先通过末端执行器重力补偿方法排除力感知干扰,然后基于RCM约束的运动学特性,将运动空间分割为约束空间与自由空间,并分别控制。该控制方法保障了内窥镜在RCM约束空间中加速度始终为零,并使用导纳控制实现了机械臂在自由空间中的柔顺拖动。3、基于内窥镜引导的扶镜作业自主运动控制方法。扶镜臂可以自主调节视野,保证特定手术器械清晰显示是自动化扶镜作业的最终目标。为了选择准确有效的内窥镜图像引导策略,本文对比讨论了传统的模板匹配算法与深度学习目标检测算法,并为深度学习算法建立了针对扶镜作业场景的专用数据集和标注方法。基于内窥镜引导信息,本文结合了基于特征的视觉伺服与RCM约束下的机械臂运动学,提出了一种扶镜作业运动控制策略,并且建立了一套有效的多线程软件框架。

关键词： 护理机器人   柔性触觉传感器   人机交互   冗余机器人   柔顺控制  

摘要： 人口老龄化问题日益严重,养老护理人员严重短缺,研制性能多样化的智能护理机器人工作研发迫在眉睫。触觉感知是护理机器人获取外界信息的重要途径,研究基于触觉信息的护理机器人与人交互是实现护理机器人智能化的重要组成部分,由于触觉传感器技术与护理机器人发展限制,将触觉传感器与护理机器人结合研究较少。为此,本文基于课题组自主研制的柔性触觉传感器与双臂移乘护理机器人样机平台,进行基于触觉信息的护理机器人与人交互方面研究。首先,对双臂护理机器人的结构进行分析,使用改进D-H(Denavit-Hartenberg)法建立其运动学模型。根据任务需求将机器人控制程序与触觉传感器的采集程序相结合,通过调用MATLAB节点进行复杂数据运算并把机器人模型导入到控制程序中。对柔性触觉传感器进行标定,将采集到的触觉信息转化为相应的力信息。把柔性触觉传感器安装在机器人手臂末端,实现机器人末端的大面积触觉感知,以此实现机器人与人之间基于触觉信息的交互。其次,对于单条6自由度手臂在人机交互中易发生安全事故的问题,构建了由躯干关节与机器人手臂组成的冗余机械臂。对冗余机械臂进行运动学分析,通过雅可比矩阵与阻抗控制中的机械臂末端速度结合,计算关节角速度,然后对关节角度迭代更新,完成机械臂的柔顺性控制。对于部分关节可能超出关节限位而导致发生事故的问题,采用了对运动关节设置关节优先级的方法,限制关节角度增量,保证交互过程中的安全性。再次,当环境中存在障碍物时,为了防止护理机器人在人机交互过程中与环境中的障碍物发生碰撞,采用人工势场法与柔顺控制算法结合,使机器人在人机交互的过程中具备避开障碍物的能力,提高了交互过程的安全性。最后,搭建双臂护理机器人实验平台,进行基于触觉信息的人机交互与抱人实验,结果表明在基于触觉信息的人机交互过程中,机器人具有良好的柔顺性与稳定性,同时检验了柔性触觉传感器的优异性能,并证明了其在机器人上运用的可行性。在抱人过程中,机器人手臂朝着设定姿态靠近,直至到达指定位置,并根据安装在机器人末端的柔性触觉传感器获取触觉信息,对机器人姿态调整。在机器人抱人的过程中结合避障算法,使护理机器人在运动过程中能够避开环境中障碍物,实现安全的护理任务。

关键词： 七自由度机械臂   轨迹跟踪控制   CMAC神经网络   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 多自由度机械臂作为现代工业智能化发展的最主要的标志之一,对其高精度运动控制以及柔顺控制策略的研究一直是学界孜孜不倦研究的热点。本课题以国家自然科学基金项目“具有输入非线性与物理约束的多自由度重载机械臂关键伺服控制方法研究”为依托,针对多自由度机械臂非线性控制中存在的建模不确定性、关节摩擦系数不确定性以及外部环境存在的未知的扰动、系统输出约束问题以及与环境接触的任务等问题本文进行了以下几个部分的内容: (1)多自由度机械臂自身具有非线性,如摩擦、间隙、死区等特性和受工况和环境影响的不确定性,而且多自由度机械臂的控制精度也受到偏载、末端执行器所接触的物体和机械臂自身结构的刚度、制造误差等因素的影响,因此必须构建一个合适的七自由度机械臂模型。首先根据机械臂的技术参数利用蒙特卡洛法完成对工作空间的仿真模拟分析,进而采用DH法构建机械臂的坐标体系,最后把正运动学表达式用齐次变换矩阵表示出来,并得到了展开式;然后使用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱验证了多自由度机械臂运动学正解的推导过程是否正确,接着再利用拉格朗日法对机械臂进行动力学建模,从而获得了机械臂的动力学方程,并进行了代码实现。 (2)七自由度机械臂的运动控制算法研究。根据控制系统中出现的未知的外界扰动,以及模型不确定性、输出约束等问题,设计了一个基于改进的自适应样条CMAC神经网络输出反馈控制器,从而能够以较低的增益获得更高的控制精度,同时也解决了系统中存在的各种问题,并通过仿真案例和实验检验了本章控制策略的效果。 (3)七自由度机械臂的柔顺控制算法研究。受到作业条件和工作复杂性的双重影响,如高度协调性的精确装配等方面,以往的单一位置控制技术大多难于应对,针对实际情况中机械臂末端与环境接触任务的情况,设计了把改进的自适应样条CMAC神经网络输出反馈控制器作为位置控制内环的阻抗控制器,从而达到了柔顺控制的目的。在此基础上,针对复杂环境下时变的刚度参数,设计了自适应阻抗控制器,使阻抗控制系统的柔顺性得到很大的提高,并以仿真实例证明了两种控制策略的稳定性和柔顺性,以解决机械臂外部可能出现的外部环境刚度变化的问题。 (4)七自由度机械臂实验。通过实验室所拥有的基于ROS的Franka机械臂实验平台进行关节运动控制实验和末端轨迹画圆实验,通过机械臂末端在经过环境阻碍之后能够快速的恢复到原来的轨迹跟踪的情况,以及轨迹跟踪精度能否满足性能指标,从而验证了所设计的控制策略的有效性。

关键词： 水下六足机器人   步态生成   阻抗策略   运动控制   动力学模型  

摘要： 水下机器人为海洋领域各类作业工具提供可控平台，其在海洋开发、探测和科学考察中起到不可或缺的作用。随着对海洋研究的不断深入，同时也为了避免由螺旋桨驱动的传统水下机器人对海底环境产生影响，水下六足机器人应运而生。但是，复杂的海底环境对水下六足机器人的运动控制方法和稳定性提出了更高的要求，当前研究无法满足未知环境下水下六足机器人运动稳定性问题，行走运动规划方法不够完善，是亟待解决的科学问题。　　本文以可重构两栖六足机器人关键技术研究项目课题为依托，首先针对机器人的单腿和整体，分别建立了运动学和动力学模型;其次，重点研究了水下六足机器人的基本运动步态实现、基于阻抗控制的未知环境下腿的主动柔顺运动以及机器人的自适应稳定行走策略，并利用虚拟的物理仿真环境对所提控制方法、策略和结果进行仿真分析。最后在所搭建的实物样机上直观地体现了运动效果，验证了运动控制的可行性。本论文的研究内容按照先后次序有以下几个方面:　　(1)对水下六足机器人的基本模型进行了分析和建立，这包括单腿的运动学模型、整机运动学模型和整体的动力学特性方面的分析，这为课题的后续研究提供了所必须的理论基础。　　(2)分析了驱动六足机器人运动的基本形式即步态类型，这包括腿的摆动和支撑过程，以及多足协调运动的时序生成问题。引入设计了基于中央模式发生器(CPG)的步态时序控制单元;同时提出一种基于能耗系数的评判运动效率的评价指标，并设计包含姿态控制在内的虚拟仿真环境和机器人对象，验证了所提步态控制方法和运动评价指标的可行性。　　(3)针对六足机器人运动在未知非平坦环境中存在的问题，提出了包含有阻抗策略的落足控制方法，实现机器人在非平坦环境下姿态的稳定和可靠行走，通过仿真进行验证;最后搭建机器人运动试验平台，完成相关硬件选型、主站程序设计，并对运动步态等进行了实际测试，其结果与虚拟机器人模型仿真相符合。

关键词： 阻抗控制   重力补偿   轴孔装配   支持向量机   强化学习  

摘要： 工业机器人已经广泛应用在各个领域,但随着柔性制造任务需求的不断提升,传统高刚度高精度的位置型工业机器人控制系统已经无法满足柔性制造的需求。本文针对工业机器人轴孔装配过程中轴和孔位姿不确定情况下的柔顺装配问题,研究基于力/力矩传感器的六自由度工业机器人主动柔顺装配控制算法,实现工业制造中的典型轴孔装配任务。本课题的研究内容由以下三个部分组成:1)设计了工业机械臂柔顺轴孔装配平台。以UR5机械臂为实验平台,结合轴孔装配场景要求,采用机械臂末端执行器模块Robotiq-G85、力传感器测量模块ATI mini45,搭建了机器人硬件平台;开发了机械臂运动规划与控制、末端夹具控制、力传感器数据采集、传感器重力补偿、柔顺控制等软件模块,并将以上软件模块集成到ROS系统中,为柔顺装配研究打好基础。2)设计了基于支持向量机的随机倾角底座装配算法。针对装配过程中底座非水平造成的轴孔装配出现偏差,导致轴不能顺利入孔的情况,本文设计了基于支持向量机的接触状态判断模型,以引导轴孔装配的姿态调整,解决装配过程中工件与随机倾角底座接触状态难以确定的问题,实现了-30°～30°范围内任意倾角底座轴孔装配的目标,装配成功率达98%。3)设计了基于强化学习的机械臂搜孔与插孔方法。在搜孔阶段,针对机械臂轴孔装配过程中出现的轴孔位置偏差问题,提出了一种基于强化学习(Actor-Critic)和力位混合控制相结合的搜孔算法,实现在真机实验中使用较少步数搜到孔。在插孔阶段,针对固定阻抗控制参数不能适应动态插孔任务的问题,采用强化学习(Actor-Critic)实时生成动态阻抗控制参数的插孔算法,在仿真中完成高精度插孔任务,插孔过程接触力控制在10以下,力矩控制在0.7以下,插孔过程安全稳定。

关键词： 机器人   自动化研磨   重力补偿   模糊PID控制   主动柔顺控制  

摘要： 针对目前整体叶轮人力手工研磨过程中研磨品质差、出产周期长、工人健康危害大等问题,开发了一套基于六自由度库卡工业机器人的自动研磨控制系统。机器人末端夹持气动磨机贴合整体叶轮表面,利用六维力传感器反馈受力情况,结合在线恒力控制算法搭建复杂曲面机器人研磨恒力控制系统。根据机器人运动学理论,对机器人研磨过程中末端加工工具重力干扰进行补偿;建立机器人力/位置混合柔顺控制策略,采用传统PID控制策略进行基础力控制,采用模糊自适应PID控制策略进行优化力控制实现机器人自动研磨。对整体叶轮进行研磨实验,结果表明模糊自适应PID控制算法可以有效的实现机器人的柔顺控制,保持研磨过程接触力在有效范围内。