关键词： 飞控系统   飞机驾驶操纵测试   模拟驾驶舱   协作机器人   柔顺控制  

摘要： 飞行控制系统(简称飞控)是飞机最重要的组成部分,直接关系着飞行质量和安全。飞行员操作驾驶舱内驾驶盘、驾驶杆和脚蹬等机构时,飞机内部传感器会测量其位移和作用力等物理量,并通过飞控系统计算相关舵面的摆动量,实现飞行姿态控制。在飞机总装地面测试过程中,需要通过外部设备对飞机驾驶操纵机构的力和位移量进行测量,用于验证飞控系统的正确性。然而现阶段飞机驾驶操纵测试多为人工测试,局限于驾驶操纵机构的极限位置,无法在整个运动行程上进行连续测量,缺少驾驶杆盘等运动过程的中间数据,飞控系统的完整测试存在隐患。本文为解决人工驾驶操纵测试的中间数据缺失问题,提高驾驶操纵测试的有效性,研究将协作机器人作为驾驶操纵测试环中的一部分,使用机器人对驾驶操纵机构进行连续操作,并通过机器人自身传感器测量值计算运动过程中的力和位移,获取运动过程的中间数据。论文的主要研究工作如下:根据某型号飞机的驾驶舱环境,设计模拟驾驶舱操纵测试环境。对驾驶盘、驾驶杆和脚蹬等操纵机构以及用于产生操作载荷的弹簧加载机构进行结构设计;对各操纵机构进行运动和受力分析,并给出传感器内部测量曲线和机器人外部操纵曲线的力和位移计算公式;完成模拟驾驶舱内电路和信号采集系统的设计。针对所设计的驾驶操纵机构和实际测试需求,进行协作机器人选型;基于D-H参数法建立机器人的运动学模型,针对驾驶盘和驾驶杆两种操纵机构求解机器人运动曲线,并运用解析法求解对应的机器人关节位置曲线;运用雅可比矩阵和差量法求解机器人末端力值。针对测量误差引起的机器人编程运动轨迹和实际运动轨迹之间的偏差,采用阻抗控制实现机器人对驾驶操纵机构的柔顺操作,解决运动轨迹偏差造成机器人末端执行器与驾驶操纵机构之间的“锁死”问题;对机器人因阻抗控制而产生的恢复力进行研究,引入收缩角的概念求解阻抗控制刚度系数;在阻抗控制下应用机器人对驾驶盘和驾驶杆进行驾驶操纵测试实验,验证机器人在环飞机驾驶操纵测试的可行性和准确性。

关键词： 气动人工肌肉   变刚度关节   拮抗驱动   柔顺安全控制   磁流变阻尼器  

摘要： 机器人技术的迅速发展使其应用场景得到了极大的外延与拓展,人机共融成为新一代机器人的发展趋势。面向人机交互柔顺安全性的应用需求,本文提出了一种基于气动人工肌肉(PAM)驱动的新型柔性变刚度关节,完成了其驱动和阻尼元件理论建模与性能测试、关节位置和刚度调节控制系统仿真以及样机实验研究。本文主要研究内容如下:首先,结合气动柔性驱动器和变刚度关节的工程背景,设计了一种基于气动人工肌肉驱动的新型柔性变刚度关节,完成了调刚性能和能量损耗分析以及变刚度关节机械结构的模块化设计,并进行了相关零部件选型和传动反馈参数计算。同时研制了磁流变阻尼器性能测试平台并完成了实验建模分析。然后,研制了气动人工肌肉的标定实验平台,对其基本特性进行了测试研究,完成了气动人工肌肉理想模型的实验验证并提出了理论改进模型,同时基于其实际力位特性开展了静态参数实验建模。综合解析理论建模和实验辨识建模的不同特点,并结合气动人工肌肉的实际运动过程,提出了一种进回程变负载多因素的实验建模方法。紧接着,基于拮抗驱动的特点,完成了关节位置控制系统的设计,主要包括阻尼驱动端动力学建模及参数辨识、位置控制解算模块的设计分析、位置PID控制器和自适应模糊PID控制器的设计;基于调刚结构的特点,完成了关节刚度调节控制系统的设计,主要包括调刚变量的分析、调刚解算模块及基于PSO优化的BP神经网络变形角补偿的PID控制器设计;通过Sinmulink仿真验证了位置及刚度调节控制系统的稳态和动态性能。最后,搭建了基于气动人工肌肉驱动的新型柔性变刚度关节实验平台,进行了关节系统气动回路和上位机控制程序的设计以及硬件设备选型,完成了关节系统调刚方案的静态和动态实验验证并确定了关节的实际调刚范围。在此基础上,进行了关节位置控制实验、调刚控制实验和安全稳定性实验,验证了关节系统具有良好的定位控制、刚度调节、柔顺安全适应的应用性能。

关键词： 滑模控制   振动基机械臂   趋近律   奇异摄动法   柔性关节  

摘要： 随着机器人技术的快速发展,各式各样的机械臂出现在不同的应用场景中,它们为人们的工作和生活提供了便利。但是,随着机械臂应用场景越来越多样化,人们对其性能寄予了更高的要求。在海洋、航空航天、军工等领域中,绝大部分的机械臂在工作状态下都会受到来自外部的扰动,其中安装基座的外部振动干扰最为常见。对于安装基座受到振动干扰的机械臂系统又称为振动基机械臂系统,在其受到外界干扰时,基座振动带来的非线性耦合力影响会导致系统出现控制响应缓慢、控制精度降低、系统可靠性差等问题。针对这些问题,本文以弹药传输机械臂作为一类典型的振动基机械臂系统进行控制研究。弹药传输机械臂作为火炮自动装填系统中的主要部件,其主要任务是将弹仓中的弹药取出传送至炮尾。工况下,它将会受到来自火炮的后坐力及崎岖路面上车体振动所产生的基座振动干扰,以及不同型号弹药导致不确定载荷变化的影响。因此,响应速度快、控制精度高以及抗干扰性强的弹药传输机械臂系统,对于整个自动弹药装填系统出色的性能表现有着重要的影响。本文将研究弹药传输机械臂在车体振动干扰以及惯量不确定等因素影响下的动力学模型和控制方法,这对火炮武器系统和受振动干扰的动力学系统的研究具有重要的参考意义。本文首先考虑到基座振动的影响,分别建立了受垂直、俯仰、摇摆三种不同振动干扰条件下的弹药传输机械臂的不确定动力学模型,并通过仿真软件获得了某履带车在崎岖路面上以恒定速率行驶时的车体振动曲线。其次,考虑到振动可能会带来的机械臂与其他部件干涉碰撞的问题,将柔性关节引入机械臂系统中使其具有一定的柔顺性,提出了一种含有串联弹性驱动器的弹药传输机械臂模型,对于含有柔性关节的刚柔耦合系统,使用拉格朗日法建立其动力学模型。然后,对于振动干扰下的振动基机械臂进行了滑模轨迹跟踪控制研究。本文采用了基于趋近律的滑模控制方法,提出了一种基于对数函数趋近律的改进型滑模控制器,可以弥补传统滑模的不足之处。之后,在MATLAB/Simulink软件中仿真验证了其有效性和优越性;对于含柔性关节的弹药传输机械臂,为适应其应用场景,它的控制研究不仅仅需要考虑基座振动的干扰,还需要考虑柔性振动抑制、负载的不确定性和快速响应的要求,其中弹药传输机械臂的响应速度对于火炮的发射速度有着重要的影响。为了解决上述问题,本文运用奇异摄动理论,将整个刚柔耦合系统分解成快、慢时变子系统,对子系统单独设计控制器。对快时变控制器中柔性振动进行抑制的问题,使用速度差值反馈法解决;在慢时变控制器中,提出鲁棒性更高,响应速度更快的基于多项幂次函数和变幂次对数函数趋近律的有限时间滑模控制器来克服外界振动和负载不确定问题,并将提出的控制算法在仿真实验中验证。最后,设计了具有垂直振动条件下的振动基机械臂实验平台,在Labview的软件环境下对振动基机械臂的滑模控制算法进行编写和调试。通过实验表明本文提出的基于对数趋近律的改进滑模控制器,对比于传统滑模控制器具有抗干扰能力强,响应速度快、可以克服不确定惯量的影响。证明了提出的控制算法可以达到预期效果。

关键词： 手术机器人   膝关节置换   自适应阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 全膝关节置换手术(Total Knee Arthroplasty,TKA)是20世纪骨外科手术最重大的创新之一。采用3D打印制成的人工关节假体替换存在损伤的膝关节,这是目前医治骨关节疾病最可靠有效的方法。TKA手术能够有效地减轻骨关节疾病患者的病痛,重新修复患者关节的正常生理功能。全膝关节置换切骨手术是耗时最长、操作步骤最繁琐的环节,其切骨平面位置精度直接决定了假体的安装精度,很大程度上决定了手术的最终质量。本文设计了一款三自由度的全膝关节置换手术切骨执行器,以及8自由度的膝关节置换固定支具,专用执行器横轴行程长度:127.34mm;纵轴行程长度:127.65mm。工作半径≥100mm,测得额定速度:12.93mm/s,力反馈精度:2.32%,力反馈响应时间误差:0.03s,满足术中力反馈响应时间<100ms要求。采用外部基准六点法对工具坐标系进行了标定,标定结果良好,TCP标定中投影最大误差0.67mm,满足手术骨切削要求。并基于虚拟导板的约束生成了切骨参考路径。为解决机器人切骨过程中摆锯与人腿骨相对位置以及人腿骨头刚度不确定性引起的误差问题,提出一种自适应阻抗控制方法,该方法能够跟踪膝关节置换手术切骨过程的动态力,进而补偿骨头刚度的不确定性。利用接触力作为基于位置的阻抗控制的反馈力,在不确定环境下主动跟踪动态期望力,通过跟踪误差在线调整阻抗参数,从而实现自适应阻抗控制。通过理论推导证明了自适应阻抗控制的稳定性和收敛性;通过仿真和实验,对恒定阻抗控制与自适应阻抗控制进行位置跟踪及力跟踪比较,该方法比恒定阻抗控制具有更好的力跟踪效果。最后进行膝关节置换手术机器人的尸体标本切骨实验,实验数据结果表明在切骨过程中力跟踪与位置跟踪效果良好,相比传统方法,新的切骨轨迹走刀形成的非骨质面积仅为传统方法的1.65%,可以实现膝关节置换手术机器人的柔顺控制要求。为了实现专用切骨摆锯自适应操作,将切骨执行器末端六维力传感器反馈的数据与手柄自定义按键相结合,实现在膝关节手术过程中根据反馈力数值来自动控制微型直线伺服驱动器,从而调节摆锯功率大小。最终实验表明,该方法可以较好地实现专用切骨摆锯的自适应操作。

关键词： 打磨机械臂   关节空间内的阻抗控制   模糊控制   神经网络补偿  

摘要： 将机械臂用于打磨任务不仅可以避免打磨环境对于工人健康的伤害,而且可以保证打磨的精度和质量。为了有效降低机械臂末端与环境接触时的冲击振荡,避免对工件造成损坏,需要对机械臂进行柔顺控制。本文以此为切入点,对打磨机械臂主动柔顺控制的方法展开研究,主要针对外力反馈不精确、外界环境和机械臂内部参数不确定情况下机械臂位置和力的控制问题,在关节空间内的阻抗控制算法基础上,设计了相应的基于力和位置混合控制的主动柔顺控制方法。首先针对外力反馈不精确的问题,从控制的角度消除外力项,以减小外力不精确对机械臂关节角度精度的影响。在“PD+”控制的基础上采用了阻尼矩阵设计的方法,抑制关节耦合作用。为了进一步减小关节跟踪误差,在不改变系统稳定性的条件下,提出了一种变参数的阻尼矩阵设计方法,可根据关节误差及其微分调整阻尼矩阵的系数。在外力干扰下,通过对PUMA560关节跟踪控制的仿真,发现关节2的最大跟踪误差减小到了0.009312rad,有效改善了外力不精确所造成的关节误差较大的情况。然后,设计了一种在关节空间内实现力跟踪的阻抗控制方法,将机械臂的任务划分为自由空间和接触空间两种模式。针对不同环境条件下力跟踪的控制问题,对不同阻抗参数下接触力的控制效果进行研究,在关节空间内力跟踪阻抗控制的基础上,提出了一种基于模糊推理的阻抗参数调节控制方法。通过对PUMA560机械臂在期望的接触力发生变换、环境刚度发生变化、环境位置发生变化的情况下的仿真,证明了所设计的模糊自适应阻抗方法可以有效减小接触力的稳态误差,保证误差在0.02N以内,具有一定的鲁棒性。最后,针对接触力超调较大和机械臂内部参数不确定的问题,设计了一种基于神经网络补偿的力/位阻抗控制方法。引入力误差的微分项消除了机械臂接触环境时的力超调,并利用神经网络补偿机械臂惯性矩阵的不确定性给关节跟踪造成的影响,此外对微分项系数进行模糊调节。通过对PUMA560位置和力跟踪控制的仿真,发现该方法能使机械臂快速接近期望位置,还可以获得较好的接触力响应。

关键词： 并联机构   平衡点控制   肌肉模型   柔顺控制   仿生机器人  

摘要： 近年来,受新冠疫情的影响,以及5G技术的飞速发展,人们对机器人的依耐性和其表现出来的重要程度越来越高。因此,以安全、人机共融、柔顺等为主题的研究越来越成为各国科研人员的研究热点,且有相关的众多优秀研究成果,而柔顺控制正是把这些特点能够串联在一起的必备桥梁。本文提出了一种肌肉平衡点柔顺缓冲控制策略,以实验室的六自由度并联机构为基础,展开了相关的仿生柔顺控制研究。本文首先对实现并联机构柔顺控制策略进行调研,并对近几年的研究成果进行了相关细致分析,确定了本文的主要研究内容和方法。紧接着,对实现本文仿生柔顺控制的肌肉平衡点控制进行了数学建模和控制框架搭建。然后,将该控制算法与并联机构进行应用模型的构建,且设计了整体的控制框架;同时对并联机构的逆运动学分析和关节力矩分析,并结合MATLAB和ADAMS进行联合仿真以此验证肌肉平衡点控制可以使得并联机构产生仿生物体运动和受到干扰产生的柔顺缓冲性能。另外,为了进一步提高柔顺缓冲性能,提出了另外一种新型的肌肉控制模型,通过数学建模、应用模型搭建、框架设计,同样进行了联合仿真验证,通过对比分析,改进后的新型肌肉控制算法能够缩短并联机构在受到干扰时达到稳定的时间,柔顺缓冲性能得到了进一步提升。最后,通过搭建并联机构的实验平台,将肌肉平衡点控制算法MEPC和新型的肌肉控制算法NMCM在实验平台上进行对比验证分析。以并联机构的硬件系统为基础,在Lab VIEW软件中进行了相应主子程序的编译。在软硬件都准备齐全的基础上,设计了动平台在受到竖直z方向和绕y轴转动的干扰载荷的实验过程,对实验结果进行了对比验证分析,得出了NMCM算法可以缩短并联机构在受到干扰冲击时达到稳定的时间,具有更好的仿生柔顺控制效果,同时MEPC算法可以实现并联机构的仿生物体运动。通过仿真和试验的角度验证了两种仿生柔顺控制算法的有效性和合理性。

关键词： 微操作器   H_∞反馈控制   迟滞模型   前馈控制   抗饱和控制   干扰观测器  

摘要： 微纳技术的快速发展拓宽了人类的精密位移控制研究,压电柔顺微操作器由于其结构紧凑、响应速度快、分辨率高等优点,被广泛应用于微操作和微装配领域。然而,其压电陶瓷驱动器表现出严重的迟滞现象和饱和非线性现象,同时易受外界扰动影响,导致系统的动态性能降低,严重阻碍压电柔顺微操作器的应用与发展。因此,如何有效地消除迟滞现象并补偿常见的饱和非线性以及外界扰动影响,一直是精密位移控制研究亟待攻克的难题。 针对上述问题,本文以一种大行程并联微动平台以及安装在此平台上的柔性操作臂组成的压电柔顺微操作器为对象,主要从压电柔顺微操作器的仿真分析、前馈控制器和反馈控制器的构建三个方面展开,补偿了压电陶瓷驱动器的迟滞非线性,改善了压电柔顺微操作器的动态性能,最后通过轨迹跟踪实验来验证所设计控制器的有效性。本文的具体研究内容如下: 对采用直圆柔性铰链以及叶型柔性铰链构成的压电柔顺微操作器进行结构分析,通过有限元分析软件以研究微动平台和压电微操作器的静动态特性。基于逆模型前馈控制补偿方法,对结合死区算子的改进Prandtl-Ishlinskii（PI）模型进行求逆,并串联压电系统进行前馈补偿。对压电柔顺微操作器进行衰减三角波信号的前馈控制实验,实验结果表明:改进PI模型能够较好地拟合压电柔顺微操作器的迟滞非线性,降低了系统的迟滞率,从而验证改进PI迟滞模型的合理性。进一步,考虑到前馈控制器的效果好坏取决于迟滞模型的精准程度,将系统模型分解为线性可逆分量和有界分量,构建权重函数和增广模型来设计H∞鲁棒控制器。开展不同类型的轨迹跟踪实验,实验结果验证了所设计H∞鲁棒控制器的有效性。 针对常见的饱和非线性现象与外界扰动现象,提出饱和补偿与干扰抑制方法,结合抗饱和补偿器与干扰观测器,对压电柔顺微操作器进行抗饱和与抗干扰实验测试。实验结果表明:此方法不仅可以补偿幅值饱和现象,而且能够抑制正弦、阶跃扰动信号,证明了饱和补偿与干扰抑制方法的可行性。

关键词： 工业机器人   自适应阻抗控制   力传感器   MLP神经网络   ROS机器人系统  

摘要： 轴孔装配是工业生产中普遍存在的一种重要工艺。随着中国智能制造业的发展,工业机器人在装配领域发挥了重要的作用。但是工业机器人由于其自身定位精度不足、现有控制方式的局限性,对于典型高精密的装配捉襟见肘。 针对这个问题,很多学者也在这方面进行了大量的研究。首先是柔顺控制方面,目前运用在工业自动化最多的是力位混合控制,包括力/位混合控制和阻抗/导纳控制,力/位混合控制由于无法精确建模而对系统带来误差,并且机械臂与环境接触时控制器无法对碰撞及时做出反应,难以付诸实践。阻抗/导纳控制虽然对不确定环境具有很大的鲁棒性,但是它不具备精准的力跟踪能力。其次是高精密装配的孔外搜索方面,目前工业现场用的最多的传统孔外搜索方式,例如方波搜索、螺旋搜索等,都会遍历很多无效点,导致装配的效率大大的降低。 鉴于此,本文提出了基于自适应阻抗控制的精密轴孔柔顺装配系统,提高了力跟踪的能力和力响应速度,加强了鲁棒性,结合了多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)神经网络智能搜孔策略,实现了精密轴孔的柔顺装配,并且提高了装配效率。本文主要贡献包括以下几个方面: (1)针对搜孔、插孔阶段因位姿偏差引发的卡阻问题,对轴孔的装配进行了几何分析,并对其进行了力学分析,可以沿着X轴或Y轴顺时针或逆时针进行旋转某一角度,进行调整,减小卡阻。同时,本文使用标准DH法对华数603型六自由度工业机器人运动学模型,详细地推导运动学正逆解并通过matlab机器人工具包证明正逆解的准确性。根据装配任务的分析,最后得出了装配的整体方案。 (2)针对轴孔装配时由于定位精度低导致的位姿偏差问题,对现在轴孔装配过程中的传统孔外搜孔算法进行了分析,针对这些传统搜索方法遍历过多无效离散点的问题,提出了MLP神经网络智能搜孔方法,建立了智能搜孔的模型,并且通过数据采集、数据标注、网络训练等方式,最后训练得出了可用的分类器模型,实验证明了该方法能减少搜索步数,提高装配效率。 (3)针对传统基于位置的阻抗控制在装配时存在力跟踪能力差、抑制力冲击能力差的问题,采用自适应控制原理,提出了一种适用于轴孔装配的柔顺力控制方法,使得力响应速度和精度都得到很大提高。同时在笛卡尔坐标下,设计恒力控制器,能够在轴孔接触时通过恒力控制能够有效减小震荡。设计姿态顺应控制器,对轴进行姿态控制能够使得装配过程中轴往卡阻小的方向进行调整。 (4)最后,搭建了实验平台,在基于ROS软件实验平台用华数的HS603机器人进行了实验,同时开展重力补偿实验,拖动实验、精密轴孔柔顺装配实验等,基于这些实验结果对力控算法的应用价值进行验证。

关键词： 机械臂   柔顺控制   阻抗控制   未知环境   模型不确定  

摘要： 机械臂因其高效率而越来越多的被应用于各种场合,通过对其末端的位置进行控制即可完成搬运、喷涂等工作。随着生产要求日益复杂,人们期望机械臂能够完成一些与环境交互的任务,此时,需要实现机械臂的柔顺控制。在实际应用中,难以获取准确的环境信息和精确的机械臂动力学模型,这对柔顺控制的实现造成了巨大的挑战。本文以阻抗控制理论为基础,以多关节机械臂为研究对象,在环境信息不确知、机械臂模型无法准确建立的条件下,研究机械臂的柔顺控制技术。首先,针对变阻尼方法难以保证瞬态性能的问题,将变刚度阻抗控制和基于RBFNN的位置控制方法相结合。对于变刚度部分,将接触力的误差作为优化目标,利用梯度下降法求解变化量,能够避免在接触时造成太大的冲击。结合PI控制方法设计了位置控制器,在此基础上,引入RBFNN来逼近机械臂动力学中的不确定部分,从而减小了参数摄动、外部扰动等因素造成的位置误差。通过一系列仿真对所提出的算法进行了仿真和验证。其次,针对阻抗控制存在的稳态误差,提出了一种结合神经网络的机械臂阻抗控制方法。在阻抗的基础上并联一个位置修正模块,利用反步法结合自适应神经网络,得到环境未知时的位置二次修正律。针对关节电机输出力矩饱和的特性,利用一种辅助系统来削弱其影响,并结合自适应神经网络设计了位置控制器,进而得到各个关节电机的控制电压。通过仿真验证了该算法能够有效改善未知环境信息对于柔顺控制的不利影响。最后,针对未知环境下难以确定参考轨迹的问题,利用估计方法得到环境的位置和刚度,再结合期望力的大小,从而计算出在笛卡尔空间中的参考轨迹,该参考轨迹经过阻抗环节的修正得到期望位置。为了加快机械臂位置控制的收敛速度,设计了能够在固定时间收敛的位置控制器。同时为了提高位置控制的精度,设计了补偿方法,有效地减小了未建模动态对于机械臂位置控制的不利影响。通过仿真,验证了机械臂在未知环境下进行柔顺控制的性能。

关键词： 下肢康复机器人   轨迹规划   柔顺控制   模型预测控制   系统辨识   自适应控制  

摘要： 下肢康复机器人作为机器人领域的一个重要的分支,是一种能够帮助如脑卒中、偏瘫等疾病引起下肢功能性障碍患者恢复行走能力的机器人。随着目前康复需求的增加,康复医师的短缺,人为辅助患者进行康复训练工作的难以量化性,以及人们对训练效果更高的需求,下肢康复机器人越来越受到人们的关注。本文设计了一种模块化下肢康复机器人控制系统,用来帮助下肢运动功能障碍患者通过定量化训练重建运动机能。为保证康复机器人控制系统的实时性,构建了以Linux+Xenomai双内核实时操作系统为机器人控制器系统软件平台,以Chibios实时操作系统为关节驱动器的系统软件平台,提出了系统分布式模块化网络结构方案。为保证患者康复训练的安全、有效性,提出了基于最小二乘原理的融合多项式与傅里叶级数拟合方案,实现了连续平滑的人体步态周期轨迹。为了减小康复机器人模型中存在的非线性、强耦合特性对康复机器人算法性能的影响,先后提出了神经网络自适应控制、改进的神经网络自适应控制、基于系统辨识的模型预测控制与模型预测解耦控制算法。为了实现主动康复训练及避免在康复训练过程中对患者造成二次损伤,基于虚拟隧道原理,提出了人机交互柔顺控制策略,同时开发了安全监控系统,实时监控康复机器人运行位置、速度、扭矩等信息,提高患者进行康复训练的安全性。为验证提出算法的有效性,构建了MATLAB-ADAMS联合仿真控制平台,对提出算法进行了仿真实验,最后对提出算法在下肢康复机器人原理样机上进行了实验验证。