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： 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： 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。

关键词： 核电站   STM32   机器人   柔顺控制   控制系统  

摘要： 针对核电站厂房中RCV过滤器滤芯更换时,操作人员面临高辐射风险的问题,设计了法兰盖开盖机器人控制系统。该系统采用STM32F407单片机为主控芯片,经CAN总线与机械臂伺服电机通信以完成机械臂的运动控制;通过串口通信电路和A/D采样等模块来完成三维力传感器和激光测距传感器的数据采集。提出了基于双传感器的螺栓柔顺对中控制方法,实现机器人对法兰盖螺栓的柔顺装配和拆卸。同时设计了上位机监测与控制界面。实验表明机器人能够较好地完成法兰盖开盖任务。

关键词： 人机共融   人机交互   行人跟随   虚拟弹簧   柔顺控制  

摘要： 针对人机共融环境下的跟随型自动搬运机器人,为了解决被跟随目标突发性运动造成机器人失灵的难题,提出了一种基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随方法.给被跟随目标的腿部和障碍物添加虚拟弹簧,完成了对机器人和被跟随目标之间相对位姿的闭环控制,从而实现躲避障碍物和自然交互任务.特别地,通过给虚拟弹簧添加动态阻尼系数,实现了移动机器人跟随目标运动的实时性和柔顺性.通过Simulink仿真对比移动机器人对被跟随目标的柔顺跟随轨迹,实现对改进弹簧模型的参数优化.采用自主开发的两轮差速移动机器人和Vicon光学运动捕捉系统,在被跟随目标做无规律、长距离运动的条件下,验证了该移动机器人跟随轨迹的平滑性和柔顺性.

关键词： 下肢康复机器人   交互控制   柔顺性   阻抗控制  

摘要： 为了更好地给患者提供稳定、舒适且具备主动柔顺性的康复训练环境,提出一种基于阻抗参数自适应调节的下肢康复机器人主动柔顺交互控制方案,该方案由外环的阻抗参数调节和内环的轨迹跟踪两部分构成。首先,针对康复训练过程中人体阻抗参数动态变化的问题,提出了模糊自适应阻抗参数调节器,将人机交互作用力、位置误差与速度误差作为输入,并采用模糊推理实时调整阻尼系数与刚度系数,实现对人体阻抗的自适应。其次,设计了间接自适应模糊控制器,合理构造模糊系统逼近未知非线性系统,对反映患者运动意图的设定轨迹进行稳定跟踪,利用李亚普诺夫分析方法证明了系统的稳定性。最后,通过仿真实验将本文方法与一般的固定期望阻抗参数方法对比,结果表明本文方法下的髋、膝关节轨迹的最大偏差分别降低53.43%和66.87%,验证了所提方法的可行性与有效性。

关键词： 上肢康复机器人   柔顺控制   变导纳控制  

摘要： 针对上肢康复机器人在随动过程中反映出患者实际运动能力不佳的问题,提出了一种基于变导纳控制的上肢康复机器人柔顺控制方法。首先进行了机器人的机械结构说明,建立了用于机器人控制的运动学模型;其次通过在机器人末端安装六维力/力矩传感器获得外界的操作者交互力;再次,建立了基于标准驱动力的变阻尼导纳控制器以将交互力转化为机器人的输出速度;最后通过实际的路径跟踪测试验证控制方法的性能,结果表明提出的控制方法获得了低阻尼控制在任务耗时及高阻尼控制在运动准确性上的优势性能。

关键词： 采摘机器人   柑橘   末端执行器   欠驱动   柔顺控制  

摘要： 为实现柑橘采摘的机械化、智能化,设计了一款欠驱动式柑橘采摘末端执行器。该执行器通过三指充分抓握与偏转的融合控制,实现对不同大小及椭圆度的柑橘的稳定采摘。针对不同尺寸柑橘采摘需求,设计了双连杆并联式手指,在抓握直径差异较大的柑橘时,手指能够自动进行抓取或捏取动作,并实现被动柔顺。通过静力学分析,得到抓取力与电机输出力矩间的关系。针对不同椭圆度柑橘采摘需求,为手指根部添加旋转关节。在建立电机驱动控制系统模型的基础上,提出基于电流反馈的主动柔顺控制策略,指根能够旋转合适的角度使指面与柑橘表面紧密贴合,在防止手指棱边刮伤柑橘表皮的同时,增大接触面积、提高摩擦力。仿真结果表明,该末端执行器结构在运动学方面满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了柑橘抓取试验,试验结果表明采摘执行器针对直径30~100 mm的柑橘抓取成功率为98.3%,平均耗时5.3 s。该末端执行器能够针对不同尺寸、不同形状的柑橘实现采摘功能,具有适应性强、抓取稳定、不损伤果实等优点。

关键词： 音圈电机   微定位平台   柔性机构   相位超前   频域逆迭代  

摘要： 为了克服音圈电机电磁驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题,利用综合数据驱动频域逆迭代前馈补偿和含相位超前校正PI反馈控制的复合闭环频域逆迭代学习控制方法对其进行高速高精控制。首先,搭建了音圈电机驱动双平行四边形柔性机构微定位系统,并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后,为提高系统相对稳定性,设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时,利用输入输出数据对系统频响函数进行在线逆估计并进行前馈补偿,来进一步消除谐振的影响。最后,利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其它方法进行了对比。实验结果表明,提出的控制方法对三角波期望轨迹的最大跟踪误差为0.175%,相比于PID控制、相位超前PI控制、传递函数逆模型前馈控制,跟踪均方根误差分别减少了8.75,5.43和2.21倍,能够较好满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。