关键词： 混凝土振捣   液压机器人   自适应控制   联合仿真   柔顺控制  

摘要： 当前混凝土平仓振捣机设备无法对大坝钢筋网内部的混凝土进行振捣,而人工振捣工艺存在劳动强度大、工作效率低和施工质量不稳定的弊端。本文针对坝面钢筋网内混凝土的自动化振捣作业需求,研究开发振捣机器人系统。基于坝面钢筋网内混凝土的实际振捣工况,确定振捣机器人系统方案,对三自由度串联开链式液压机械臂结构进行详细设计。为克服振捣机器人工作振动对本体结构产生的不利影响,设计末端执行器的减振挂架机构。基于有限元分析方法,对振捣机器人整体结构进行静力学和振动模态仿真。基于振捣机器人结构动力学模型,验证执行器挂架的减振性能,保证机器人结构可靠性和安全性。采用几何法,研究振捣机器人的运动学特性,求解机器人任务空间与驱动空间变量的映射关系。基于拉格朗日法,建立振捣机器人的动力学模型,得到机器人运动状态与关节所需转矩之间关系,根据机器人力学结构实现关节转矩与油缸驱动力的转化。基于五次多项式插值方法设计振捣机器人的点对点轨迹规划算法,对常规正弦加减速算法进行改进,实现机器人末端点位置变化与关节转动之间的协同规划,设计振捣机器人在任务空间的直线轨迹插值算法。基于联合仿真策略,提出一种电液比例阀控缸系统动态数学模型的辨识方法,基于液压系统线性化工具和结构动力学模型求取雅可比数据,导入MATLAB中计算阀控缸系统数学模型,将其与纯理论计算得到的模型进行对比分析,结果表明此方法辨识出的阀控缸动态数学模型具有更高的准确性。为克服振捣机器人系统自身不确定性和外部负载扰动的影响,采用基于模型参考自适应算法设计机器人多轴联动控制器,实现振捣机器人在任务空间的位置伺服控制。在位置控制内环的基础上,基于导纳算法设计振捣机器人的操作力控制外环,实现机器人在振捣作业过程中的主动柔顺控制。通过“机-电-液-控”多平台联合仿真系统,对振捣机器人在碰撞工况下的柔顺控制性能进行仿真分析,结果表明设计的柔顺控制器具备良好的性能,可有效保护振捣机器人的结构安全。基于Raspberry Pi控件搭建振捣机器人下位机实时内核硬件系统,设计基于I2C协议的模拟量扩展电路板用于振捣机器人控制信号的输入和输出。基于MATLAB/GUI框架编写具备自主避障功能的上位机在线联调控制软件,可实现上、下位机控制算法的同步调参,实时监控振捣机器人运动状态并进行参数优化。在高频振动工况下,分别进行了振捣机器人的位置伺服、主动柔顺和自动避障实验,结果表明本文设计的坝面钢筋网内混凝土振捣机器人样机具备良好的平面运动和柔顺力控性能。针对实验中发现的问题对振捣机器人进行改进与优化,为后期的坝面全区域机器人化振捣工艺的实现打下基础。

关键词： 四足仿生机器人   运动控制   谐振运动原理   柔顺控制   地面刚度辨识   状态估计  

摘要： 近年来,随着四足机器人应用需求的增加,人们对四足机器人复杂地形下的地面适应能力和运动效率提出了更高要求。四足机器人主要依靠虚拟弹簧腿的周期性摆动和离散落足点的间歇性支撑来实现其运动,其腿部和地面的刚度特性是影响机器人腿部动力学特性和机器人足-地交互行为的关键因素,对四足机器人复杂地形下的整体运动性能起着决定性作用。将机器人和地面作为有机整体进行系统分析,研究地面特性和运动参数变化时机器人腿部刚度变化规律及其控制方法,是复杂地形下四足机器人运动控制研究的难点和重点。足式动物通过调节腿部刚度来适应运动步频和地面刚度的变化,使腿-地面组成的弹性系统在谐振状态下运动,从而提高其运动能效和稳定性。受此启发,本文开展基于谐振运动原理的四足仿生机器人运动控制研究,聚焦于通过主动控制实现四足机器人谐振运动的关键问题,包括腿部刚度规划、地面刚度辨识、机身状态估计、腿部刚度控制等,以提高机器人运动安全性、稳定性和高效性。本文采用仿生分析-理论推导-仿真分析-实验验证相结合的方法,分析了足式动物的结构和运动特性,揭示了动物足式运动中普遍存在的谐振运动原理,建立了四足机器人谐振运动规约动力学模型,阐明了足式动物谐振运动原理到机器人运动控制的映射机制,为机器人谐振运动实现提供参考模型;针对复杂环境下的机器人本体-环境状态感知问题,设计了腿部运动测量和机身惯性测量相结合的机身状态估计方法,建立了机器人-地面系统交互作用模型,提出了基于足-地接触力频域特性分析的地面刚度在线辨识方法,为机器人谐振运动实现奠定了基础;针对机器人液压驱动系统建立了非线性系统模型,设计了液压系统力伺服控制器和基于内环力控制的虚拟模型柔顺控制器,并建立了摩擦动态补偿和逆动力学补偿模型,为机器人谐振运动提供了具体手段。综合考虑地面环境和机器人弹性腿结构,提出了基于谐振运动的机器人腿部刚度在线规划方法和基于柔顺控制的机器人谐振运动原理实现方法,在地面刚度辨识和机身状态估计的基础上,以谐振运动为基本原则,规划机器人腿部刚度,对机器人腿部进行柔顺控制,实时调整腿部刚度,从而使机器人保持在谐振状态下运动。通过地面刚度辨识和机器人腿部刚度在线规划控制,机器人在一个步态周期内完成地面适应,实现了机器人高能效谐振运动。搭建了四足仿生机器人物理实验样机,开展了四足仿生机器人Trot步态平地行走、崎岖地形行走、动平衡控制、冲击扰动控制等实验,验证了所提出的控制算法的有效性。实验结果表明,本文柔顺控制器能够有效应对外界冲击扰动,可以适应复杂运动环境;与传统基于位置控制的机器人运动相比,相同步幅步频下,采用基于谐振运动原理的柔顺控制策略,机器人整机运动峰值功率可以降低约25%;随着机器人运动步频和地面刚度变化,腿部刚度在满足谐振运动状态时机器人运动能耗最低。本文研究成果,为四足仿生机器人高能效运动的实现提供了理论指导和切实可行的控制策略,具有重要的理论意义和工程实践价值。

关键词： 外肢体机器人   模块化机器人   运动学   柔顺控制   避障路径规划  

摘要： 模块化机器人由多个具有相同结构和通讯方式的基本模块单元组成,具有构型灵活多变、互换性良好的特点。外肢体机器人作为一种新型的可穿戴机器人,可以通过穿戴的方式固定在使用者身上,作为额外的机械肢体协助穿戴者完成一系列复杂、高强度的作业任务,具有良好的应用前景。本文将两者的概念相结合,利用一种链式构型的模块化可重构机器人组成外肢体机械臂,构成模块化外肢体机器人,使其可以灵活切换构型,具备较强的适应性。本文首先对模块化外肢体机器人构型灵活多变的特点进行分析,选用六个基本模块单元构成了一种基座端三轴线平行,末端三轴线垂直的典型构型六自由度外肢体机械臂。通过D-H参数法对该构型的模块化外肢体机械臂进行运动学建模,并对其进行了正、逆运动学的求解及验证。最后利用蒙特卡罗方法对典型构型下的模块化外肢体机械臂工作空间进行求解,并将穿戴装置和穿戴者安全工作范围考虑进去,得到了实际的模块化外肢体机器人工作空间。设计了基于位置的阻抗控制策略来实现模块化外肢体的末端柔顺控制,并针对拖动示教这一典型的柔顺控制应用场景设计了具体的控制流程。通过Simulink仿真,分析了阻抗参数对柔顺控制系统的影响。设计了末端执行器的重力补偿算法,消除了末端执行器重力对传感器读数的影响。最后通过建立人机系统全局坐标系和坐标系关系推导,实现了对穿戴者运动的补偿,消除了穿戴者运动对外肢体末端运动的影响。利用圆柱体包围盒对模块化外肢体及障碍物进行模型简化。选择人工势场法作为避障路径规划的基本算法。改进人工势场法引入目标点距离因素,建立新的势场函数,解决了远处目标点引力过大和障碍物附近目标点不可达的问题。以总势能作为指标,在关节空间中搜索最优关节角度组合,并通过设置中间路径点作为虚拟目标点的方法解决机械臂陷入局部最小值的问题。根据以上工作给出了基于改进人工势场法的外肢体避障路径规划算法流程。最后,根据方案和算法设计,搭建了模块化外肢体机器人实验平台。通过模块快速拆换实验和辅助作业实验验证模块化外肢体的基本性能;通过柔顺拖动实验验证了柔顺控制算法的正确性;通过Coppelia Sim仿真,验证了避障路径规划算法的可行性。

关键词： 大尺度重型六足机器人   运动稳定性预测   动态运动规划   柔顺控制   运动控制系统架构  

摘要： 相比于轮式、履带式等常见地面移动装备,浮动基座、非连续地面支撑特性等特点使足式机器人具备更高的运动灵活性及环境适应性。因此,随着科学技术的飞速发展,足式机器人正逐渐成为野外非结构化环境下执行机动作业任务的首选装备之一。在众多类型的足式机器人中,具备静态自稳定特点的六足机器人是足式机器人研究领域的重点方向之一。相比于以轻载-灵活性为主要实现目标的中小型六足机器人,具备重载-适应性特点的大尺度重型六足机器人在实际野外环境物资运输等应用场景中,更具实用意义。但是,相比于中小型六足机器人,野外非预知环境中运动的大尺度重型六足机器人所具备的大质量、大运动惯量等特性导致其在实际应用过程中会发生形变明显、足-地接触冲击大、机身姿态偏差易积累等特殊问题,这些特殊问题会导致大尺度重型六足机器人对运动稳定性、环境适应性及运动柔顺性等运动指标要求更加严格。因此,针对大尺度重型六足机器人特殊运动特点,从稳定性、运动规划、柔顺控制三个方向展开合理而有效的运动控制方法研究,无疑是确保大尺度重型六足机器人具备高运动稳定性、高环境适应性及高运动柔顺性的基石。为实现这一目标,本文开展了大尺度重型六足机器人运动稳定性预测、动态运动规划及柔顺控制方法的研究。本文以大尺度重型六足机器人为研究对象,针对其对运动稳定性的高要求,对其运动稳定性预测方法展开了研究。在分析大尺度重型六足机器人实际运动学模型的基础上,首先对考虑地面几何参数变化的机器人运动轨迹规划方法进行了研究,在实现机器人基本运动的基础上降低外部地表几何参数变化对机器人腿部运动的不良影响。进一步,分析机器人运动稳定性的典型影响因素,据此确定以力角稳定裕度FASM(Force Angle Stability Margin)作为机器人的基础运动稳定性判据,并针对其可能产生误判及无法量化评价机器人运动稳定性变化趋势的弊端,提出以单步运动时间内的不稳定时间帧作为机器人的运动稳定性变化趋势的评价指标。最后,依据机器人历史多步不稳定时间帧信息,提出以二次曲线对机器人不稳定时间帧进行拟合并据此判断机器人未来多步运动稳定性的稳定性预测方法,获得了机器人未来失稳步数的预测,解决了目前六足机器人运动稳定性判断滞后的问题,并在所搭建的大尺度重型六足机器人虚拟样机仿真环境中对该方法的有效性进行了仿真验证。为解决大尺度重型六足机器人在失稳趋势下的稳定运动恢复问题,并为提高机器人腿部运动对外界地表环境变化的适应性,本文对大尺度重型六足机器人的动态运动规划方法展开了研究。机器人动态运动规划方法主要包含动态步态规划及动态足端轨迹规划两方面。首先,依据对机器人未来运动失稳步数的预测及六足机器人稳定支撑状态的分析,本文提出了基于稳定支撑状态搜索的六足机器人动态步态规划方法,通过步态的在线实时规划来对机器人的运动稳定性进行合理调整。其次,为应对外界地表所存在的局部突变障碍,本文在对障碍类型进行分类讨论的基础上,模拟生物条件反射机制设计了机器人动态足端轨迹规划方法,通过机器人足端轨迹在遇障后的动态规划来提高机器人腿部运动对外界环境的适应性。最后,通过不同地形下的大尺度重型六足机器人运动仿真,验证了所提出的机器人动态运动规划方法对提高机器人运动稳定性及环境适应性方面的有效性。为解决大尺度重型六足机器人在运动过程中所存在的整体形变、足-地接触冲击大、运动姿态偏差易积累等问题,本文对符合大尺度重型六足机器人运动特点的柔顺控制方法展开了研究。首先,为实时调整机器人运动过程中的姿态偏差,本文提出以高次插补曲线对机器人机身姿态角轨迹进行柔顺规划的机器人姿态角轨迹柔顺规划方法,并对机器人在不同运动步态下的姿态角轨迹规划关键参数所需满足的约束条件进行了详尽的分析。其次,为提高机器人足-地接触的柔顺性,并降低机器人形变特性对机器人运动位姿的影响,本文受平衡点假说EPH(Equilibrium Point Hypothesis)启发,建立了机器人腿部“弹簧-肌肉”模型,并基于此模型提出了机器人足端轨迹柔顺调整方法,通过机器人足端轨迹的实时柔顺调整,优化机器人在运动过程中的整体力学平衡关系及足-地接触过程。最后,通过不同地形下的虚拟样机仿真实验验证了本文所提出的机器人柔顺控制方法可以在提高机器人整体运动柔顺性的基础上,降低控制系统的设计及参数调整难度。基于所研究的机器人运动稳定性预测方法、动态运动规划方法及柔顺控制方法相关理论成果,本文模拟生物智能行为分解思想,对复杂的大尺度重型六足机器人控制逻辑进行了分层降维,创建了大尺度重型六足机器人层次化运动控制系统架构,并基于大尺度重型六足机器人实际物理样机,开展了多类型地面下的大尺度重型六足机器人运动实验。通过对实验结果进行量化分析,验证了本文所提出的相关运动控制方法具有明确的理论合理性及现实可行性,可以切实提高大尺度重型六足

关键词： 欠驱动机械手   环境参数识别   阻抗控制   神经网络   力/位跟踪控制  

摘要： 欠驱动机械手是机器人与作业环境接触的常用末端执行器,与机械臂配合完成可代替人工作业,如打磨、采摘和装配等,是智能控制的研究热点。现今,对机械手的要求不在是简单位置控制,而是能自适应的力/位置跟踪控制,完成更加精细的抓取任务。在现阶段机械手的结构设计、传动方式、驱动模块化越来越成熟的情况下,研究者将更多的视线转移在控制系统上,其决定机械手自适应程度以及控制精度。本文研究的重点是机械手对环境的感知以及柔顺控制系统。首先,以可用于多目标抓取的欠驱动机械手为研究对象,对柔顺控制系统开展相应的理论分析与验证。考虑到约束环境参数对阻抗控制系统的影响,本文将未知环境描述为具有动力学的二阶线性系统,并利用力传感器阵列测量的接触力和推导计算的末端位移,基于递推最小二乘法(RLS)辨识未知环境参数,提高机械手对环境的感知能力。其次,本文将系统控制策略分为两个部分,包括外环阻抗控制和内环位置控制。外环阻抗控制描述的是机械手末端与约束环境建立的等价阻抗模型,旨在建立接触力和位置的动态关系。约束环境的不同,影响着机械手末端的接触力和位移,使得需要匹配适合的目标阻抗参数,故选取合适的阻抗参数是解决外环阻抗控制的研究重点。本文提出了基于反演法的自适应模糊阻抗参数整定的方法,能有效的完成阻抗参数的自适应调整。考虑到机械手自身的非线性对系统的影响,尤其是机械手动力学模型参数。于是,在位置内环中设计了基于RBF神经网络逼近的位置控制器,用来完成动力学模型参数的逼近,提高系统的鲁棒性。最后,本文通过简化的二自由度模型,验证了阻抗参数自适应调整及RBF神经网络控制系统的有效性。基于已有的欠驱动机械手实验平台,完成控制系统软硬件的设计,通过在自由/约束空间下机械手的力/位跟踪控制实验,证明了该方法设计控制系统的可靠性。

关键词： 打磨机器人   风电叶片打磨   力位混合控制   气动力控制   自抗扰控制  

摘要： 我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场,风电装备制造业已成为河北省经济发展新引擎。现有的风电叶片打磨工序仍主要采用人工打磨方式,人工打磨存在环境恶劣、效率低下、打磨质量不均匀、容易造成磨削烧伤等诸多缺点。随着智能化水平提高,自动化打磨代替人工打磨已成大势所趋。本文采用轨道式移动机械臂进行风电叶片打磨,作业过程中叶片模型误差以及装夹误差会导致机器人离线编程轨迹与理想轨迹不一致,影响打磨质量甚至损坏打磨工具和机器人。针对此问题,实现力的柔顺控制是解决轨迹误差的关键技术,本文将力和位置控制进行物理解耦,并开展风电叶片打磨机器人气动柔顺末端自抗扰力控制研究。针对课题组已研发的打磨末端存在颤振严重、上下气腔控制耦合导致力控制较复杂、力传感器下端重力补偿困难等问题进行改进,将原三根较细的导向轴换成一根接触面积更大的滚珠花键,并将原双作用气缸换成带有弹簧的单作用气缸,将原设在气缸底部的力传感器设置到抛光机之上。根据装置结构建立电气比例阀流量连续方程、气缸质量流量连续性方程和系统的力平衡方程,进而得到气动柔顺末端动态系统数学模型。由于气动柔顺末端数学模型为强非线性、不精确模型,并且打磨过程中存在参数摄动以及机器人运动、打磨小车振动造成的不确定性扰动,为解决此问题,在气动柔顺末端建模的基础上设计扩张状态观测器来观测打磨过程中的总扰动,提出线性反馈控制律对干扰进行补偿,由于阶跃指令的突变性会造成气动柔顺末端初接触风电叶片时存在刚性冲击,设计跟踪微分器安排过渡过程解决初接触时的刚性冲击。进行算法稳定性分析,并利用Matlab/Simulink进行仿真分析。设计并搭建机器人柔顺打磨风电叶片实验平台,采用ER-Factory离线仿真软件对风电叶片进行离线轨迹规划,对力传感器进行重力补偿,利用Labview设计上位机控制程序。通过实验对自抗扰控制气动柔顺末端打磨力进行验证,并通过粗糙度测量仪和红外热成像仪进行进一步验证,实验结果表明:自抗扰控制有效减少了打磨过程中的力波动,提高了风电叶片表面质量以及更好地避免了磨削烧伤出现,具有抗干扰强、稳定性强以及效率高等特点。

关键词： 柔顺控制   人机协作   阻抗控制   导纳控制   重力补偿   六维力传感器  

摘要： 随着“中国制造2025”的提出,实现航空产品制造自动化是大势所趋。目前,我国航空装配领域大量使用人工装配,效率低下、安装产品难以稳定保持,利用机器人进行柔顺辅助装配对实现智能制造具有重要意义。针对航空大部件装配中的人机协作,本文以飞机襟翼装配为应用对象,对装配过程中的负载重力补偿技术和柔顺控制技术进行了研究,主要完成的工作有:1)设计了飞机襟翼辅助装配系统总体方案。对飞机襟翼辅助装配系统的装配件种类特征、功能需求、技术指标、系统组成和工作流程进行了具体分析,并搭建了软硬件平台,为后文的研究奠定了软硬件基础。2)建立并优化了重力补偿算法。通过分析力传感器和各组成部分之间的关系建立了重力补偿计算模型,提出了基于遗传算法的重力补偿优化算法,旨在预估力传感器安装偏角,进一步提升重力补偿精度,实现机器人末端负载的外力感知。3)研究了面向机器人辅助装配的变导纳控制方法。从人机协作需求出发,讨论了导纳控制特性,针对辅助装配过程的不同阶段,研究了基于操作意图识别的变导纳控制的具体实现方法,通过仿真发现,该方法可以进一步提升了机器人在装配过程中的柔顺性和鲁棒性。4)分别搭建了重力补偿和辅助装配实验环境,并进行了验证实验。对不同情况下的重力补偿优化效果进行了验证,实验结果表明了本文重力补偿优化算法的有效性;使用不同导纳控制方法对装配过程进行了模拟和比较,实验结果表明了本文的变阻抗控制更易于实现人机协作装配。

关键词： 颈椎康复   按摩机器人   灵巧手   力/位混合控制  

摘要： 随着人们生活习惯及工作方式的改变,颈椎病的患者数量正在逐年上升,且患病年龄呈现年轻化的趋势,其治疗方法也引起了学者们的广泛关注。在临床上,传统中医按摩疗法对颈椎病具有非常良好的治疗效果。但是,该治疗方法需要医师拥有非常专业的按摩手法和临床经验,普通医师难以满足患者的需求。因此,结合中医按摩学、生物力学及机器人学等多门学科的按摩机器人应运而生,并快速发展。本文将设计一种颈椎康复按摩机器人,通过机器人灵巧手的柔顺控制实现各种按摩手法,从而协助医师完成颈椎康复的按摩任务。针对按摩机器人的关键技术,对现有按摩机器人和仿人灵巧手的研究现状进行了分析和总结。通过对颈椎病的病理病因和康复按摩机理的分析,选定了点按、指揉、弹拨和提拿四种按摩手法,并将此作为按摩机器人所需实现的基本功能。根据各种按摩手法的运动特征和功能要求,设计了包括按摩定位机构和灵巧手两部分的颈椎康复按摩机器人。其中,将灵巧手设计为绳驱动的三自由度欠驱动结构,用于完成各种按摩手法。针对机器人灵巧手机构,运用改进DH参数法和牛顿欧拉法分别建立正运动学和动力学的数学模型。通过静力学方法分析灵巧手末端两关节在受力和不受力两种状态下的耦合特性,并根据关节角的转角范围得到了相应状态的工作空间。基于各种按摩手法的运动特征,完成按摩机构末端康复轨迹的规划。通过数值求解建立灵巧手在受力状态下的逆运动学模型,得到各关节角度和各绳索长度的变化曲线。利用Simscape Multibody工具建立灵巧手的动力学仿真模型。通过Simscape模型仿真得到各关节驱动力矩和各绳索拉力的变化规律,为机器人的控制提供了理论依据。为了实现按摩位置的精确性和按压力的稳定性要求,设计了力/位混合控制策略。通过绳索模型将绳索的力控制转变为位置控制,建立了基于绳索位置控制的控制系统模型。根据绳索驱动单元分析绳索位置控制的传递模型,并在Simscape模型的基础上建立了Simulink仿真系统,对按摩位置跟踪性和按压力的柔顺性进行了验证。为了验证按摩机器人控制策略的可行性,搭建拇指的实验样机。通过对点按、指揉、弹拨三种手法的按摩实验,得到不同轨迹下的位置跟踪和力反馈曲线,验证了按摩机器人力/位混合控制策略的可行性。

关键词： 下肢康复机器人   柔顺控制   物理人机交互   运动规划  

摘要： 随着康复医学的发展和相关技术的进步,为减少康复治疗师在脑卒中患者康复训练过程中的体力消耗和提高康复治疗的训练效果,康复外骨骼机器人应运而生。康复外骨骼机器人康复治疗主要有两种模式:机器人辅助治疗模式和患者主动治疗模式。在主动康复训练过程中,物理人机交互的柔顺控制有助于保证用户的安全性与舒适性,提升人机交互运动协调性,提高康复训练的效果。为此,本文通过设计下肢康复机器人主动柔顺控制策略,实现受试者在主动康复训练模式下的人机柔顺控制,具体工作内容如下:首先,对本文中所选用的下肢康复外骨骼机器人的结构进行分析,得到该结构的几何模型,分别分析在笛卡尔空间坐标系下的运动学和基于欧拉-拉格朗日方程法的动力学,建立系统的运动学模型以及动力学模型,为下肢康复机器人物理人机柔顺交互控制提供基础。其次,为了解决人机交互力矩难以获取的问题,根据机器人关节机电耦合模型设计了人机交互力矩观测器。基于此,利用最速下降算法对人机不同步导致的轨迹偏差之和进行最优化求解,降低由人机不同步产生的人机交互力矩,得到基于当前用户的特定步态参考轨迹,然后进一步根据流场原理设计了辅助和引导程度可调节的控制策略,从而形成具有内外双环结构的控制方案,有效提高康复训练柔顺性的同时,实现机器人顺应用户运动意图的合理性。最后,在人机交互力矩观测器与基于用户意图的自适应轨迹控制算法得到仿真验证的基础上,设计并搭建了下肢康复外骨骼机器人物理交互柔顺控制实验系统,进行了单侧关节物理交互柔顺控制试验,验证了本文中下肢康复机器人实验平台和所提控制策略的有效性和可行性。

关键词： 机器人   轨迹规划   柔顺控制   迭代学习控制  

摘要： 随着市场需求的多样化与复杂化,装配作业中的环境复杂性、工件定位精度以及装配对象的多样化等因素给机械臂的自主精准装配造成了很大的挑战。因此,研究机器人装配操作的自主性与智能化意义重大。本文针对轴孔自主装配算法开展了相关研究,主要内容如下:(1)机械臂的高效轨迹规划。面对姿态的流形特性以及跨零点情况,现有的动态运动基元(Dynamic movement primitives,DMPs)算法很难达到预期的效果。本文提出了一种基于改进DMPs的笛卡尔空间6D轨迹规划方法。该方法采用四元数描述姿态,实现了位置轨迹与姿态轨迹的无奇异表示。通过解耦强迫函数与起-终点状态差值项之间的关联,消除了跨零点引起的轨迹抖动、无法生成与翻转等问题。此外,基于机器人和障碍物间的距离与偏角建立了虚拟阻抗关系,并将其耦合到动力学模型中,使得机械臂的避障行为更加的类人化,减少消耗。仿真和倒水实验表明,本文提出的改进DMPs方法是可行的。(2)基于阻抗的柔顺控制。接触式任务中,以往纯粹的机械臂位置控制已经很难满足要求,通过阻抗控制的方式可以实现机械臂和环境间位置与力的同时控制。但当面对非结构化的作业环境时,固定参数的阻抗控制往往很难达到预期效果。为此,本文通过四元数的方式丰富了阻抗模型,有利于位置和姿态的双柔顺控制。其次,利用迭代学习控制的方法用于优化阻抗控制器的输出,提高了系统的响应性能。最后通过Matlab/Simulink搭建了仿真系统,实验验证了算法的有效性和鲁棒性。(3)机械臂装配操作。基于ROS框架,开发实时控制系统,便于装配环节的实时反馈控制。分析装配环节的工具坐标系标定、力/力矩传感器标定和重力补偿的实现过程,方便装配操作中各状态的转换获取。最后设计UR5机械臂的自由拖动和插孔实验,验证实时控制系统和算法的可行性。