关键词： 六足机器人   地形感知表征   自由步态规划   多足协调控制  

摘要： 以步态丰富、结构冗余为突出特征的六足机器人运动灵活、可靠性高,凭借足端与地形“离散接触、适时转移”独特驱动模式,具备卓越的地形适应能力,在国民经济与国防建设关键领域中不可替代作用日益凸显。多足协调控制作为六足机器人运动规划的核心,重点解决足端在落足点间高效转移与机体位姿动态调整两大难题,是实现机器人动态柔顺运动的关键。然而,受限于精准地形感知、自由步态规划、关节协同控制等瓶颈问题,现有多足协调控制理论方法尚难以满足非平整地形下机器人柔顺运动需求。为此,本文聚焦精准地形感知、自由步态规划、关节协同控制,创新建立基于无序足端位置的漫游地形感知表征方法,深入探究基于地形特征平面切换的自由步态规划方法,重点研究面向复杂地形柔顺运动的多足协调控制方法,旨在提升非平整地形下六足机器人动态柔顺运动性能,推动机器人发展与应用。本文主要研究工作和取得的成果如下:(1)借鉴六足生物地形感知机理,系统构建时变机体坐标系下足端位置解算模型,通过探究基于无序足端位置的局部地形量化表征方法,创新建立基于时变机体位姿变换的全局形貌拓扑重构方法,充分利用机器人足端与地形交替离散接触特性,解决地形量化表征问题。(2)借鉴六足生物步态生成机理,深入探究基于地形特征平面切换的自由步态生成机理,系统构建基于地形特征平面的机器人动静态稳定性量化评价方法,创新提出基于动静态稳定裕量的自由步态规划方法,通过制定离散化落足点间时空转换机制,攻克自由步态规划难题。(3)借鉴生物复杂行为运动机理,融合足端寻落反射策略,研究基于参数化处理的足端轨迹规划方法,考虑再入地形运动规划,探究基于运动相对性的机体运动规划方法,创新建立面向复杂地形柔顺运动的多足协调控制方法,基于机体足端运动解耦,突破多足协调控制瓶颈。(4)搭建机器人实验平台,系统开展非平整地形下机器人运动实验,有效验证了地形感知表征、自由步态规划、多足协调控制等理论方法的合理性与正确性。

关键词： 压电陶瓷驱动器   桥式柔顺放大机构   静/动力学建模   有限元仿真   分数阶控制  

摘要： 压电驱动微定位平台作为精密机械与精密仪器的关键部件,在原子力显微镜中的样品定位、生物学中的单分子微操作、半导体制造中的光对准和芯片光刻封装等方面有着重要应用。然而压电陶瓷驱动器的输出位移很小,一般只有几十微米,因此在很多大行程应用场合中需要对压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大。目前,压电驱动微位移放大技术主要采用柔顺放大机构,柔顺机构具有高精度、无摩擦、免装配、可整体加工等优点,已成为国内外研究的重点与热点。本文首先构建了椭圆形桥式柔顺放大机构的解析模型,另外设计了一种嵌入Scott-Russell机构的新型复合桥式柔顺位移放大机构,在此基础上构建了二自由度新型解耦的柔顺微定位平台,并对该平台进行了分析、测试和控制,具体研究工作如下: （1）利用应变能和卡式第二位移定理建立了椭圆形桥式柔顺放大机构的位移放大比和输入刚度的解析模型。基于拉格朗日方程法,建立了描述放大机构振动微分方程的广义坐标系,得到了放大机构沿其工作方向的固有频率。为了进行充分比较,设置了六组具有不同材料参数、尺寸和驱动力的样品。通过有限元分析和实验测试,得到了每个试件的位移放大比、输入刚度和固有频率,结果表明,解析模型与有限元分析模型的最大误差在8.25%以内,实验结果的最大误差在6.25%以内。 （2）针对传统桥式放大机构固有频率低,侧向承载力小等问题,提出了一种在桥臂中嵌入Scott-Russell机构的新型复合桥式柔顺位移放大机构,在此基础上,设计、分析和测试了一种新型解耦的柔顺XY微定位平台。新型放大机构的主要特点是采用Scott-Russell机构代替复合桥式机构的一根桥臂,以提高其输出端横向刚度和工作方向的固有频率。柔顺XY微定位平台由两个新型的正交分布Scott-Russell复合桥式放大机构驱动,并在其输出端的周围增加了双平行四边形导向机构,以进一步降低XY微定位平台的寄生运动。然后,基于刚度矩阵传递法建立了工作台静动态特性的分析模型,并通过有限元分析进行了验证。最后,对线切割加工制作的XY微定位平台样机进行静态和动态性能测试。测试结果表明,工作空间为181.0μm×179.5μm,运动分辨率为20 nm,最大耦合误差为1.07%。未安装或安装压电陶瓷驱动器时,XY平台沿其工作方向的固有频率分别为178 Hz和248 Hz。 （3）提出了基于一种分数阶零相位误差前馈控制和分数阶PIλ控制的复合控制策略来进一步提高二自由度解耦微定位平台的定位精度以及轨迹跟踪能力。然后,基于频率响应,设计了分数阶PIλ控制器。此外,通过在大频率范围内获得分数阶闭环系统的逆,设计了一个分数阶零相位前馈控制器。校正后的控制系统在宽频带内增益为1,以消除闭环控制系统中的相位误差。轨迹跟踪的实验结果表明,所提出的新型二自由度解耦微定位平台能够拥有良好的定位精度以及轨迹跟踪能力,同时也验证了基于分数阶零相位误差前馈控制和分数阶PIλ控制的复合控制策略的有效性。

关键词： 双手爪攀爬机器人   柔顺控制   顺应抓夹   碰撞检测  

摘要： 双手爪攀爬机器人作为特种机器人,拥有串联式多自由度机构本体和交替切换抓夹基座的夹持器,在复杂杆件环境具有优异的运动、越障能力,是将来代替人工实现高空作业任务的理想工具。双手爪攀爬机器人为多刚体多关节机械系统。夹持器一端固定,另一端抓夹环境杆件时,由于抓夹位姿误差的存在,机器人与环境将形成过约束,无法可靠抓夹。抓夹过程中的微小位姿误差将导致机器人关节内力激增、刚性冲击、电机发热和能耗增加等问题。另外,双手爪攀爬机器人在桁架环境中攀爬运动过程中,由于感知环境地图和运动存在误差,因此机器人与桁架杆件存在碰撞的可能性。机器人与环境发生碰撞后,将无法进行碰撞检测以及相应的碰撞后处理。因此,实现机器人与桁架环境的顺应抓夹,抵消因抓夹位姿误差产生的本体关节内力和有效的碰撞检测策略将是机器人可靠攀爬的必要手段。本文以双手爪攀爬机器人(Climbot)作为研究对象,对圆杆桁架环境中的抓夹位姿误差引起关节内力激增问题以及碰撞检测问题作深入研究,主要研究内容包括:研究双手爪攀爬机器人本体关节内力产生的基本机理。分析了抓夹位姿误差来源、抓夹位姿误差形式以及关节内力的一般形式。并根据等效虚拟弹簧系统,构建了抓夹位姿误差与关节受迫位移之间的一般关系。根据导纳控制基本原理,设计了关节顺应抓夹控制器。根据接触力零稳态误差原则推导质量阻尼阻抗模型;控制率结合PD控制器思想根据接触力误差动态调整阻抗模型阻尼项;最后基于劳斯判据验证顺应抓夹控制器的稳定性。根据机器人运动步态动力学模型以及正态分布统计模型,提出了基于参考模型的碰撞检测方法。通过机器人步态动力学模型参数辨识(模型线性化、激励轨迹设计与优化和加权最小二乘的参数估计)构建了实际步态动力学模型;根据关节电机名义力矩与关节电机实际力矩的偏差构建了无碰状态正态分布模型。从而结合力矩偏差正态分布模型3σ原则动态选择碰撞检测阈值。最后,本文开展了顺应抓夹和碰撞检测实验。根据单一抓夹位姿误差、混合抓夹位姿误差、重复性抓夹和抓夹可靠性四个实验验证了顺应抓夹控制器的有效性;结合扭转步态、翻越步态和尺蠖步态验证了基于动力学模型的碰撞检测方法的可行性。

关键词： 多肢体机器人   机构建模   运动控制   柔顺控制  

摘要： 可穿戴外肢体机器人通过给人体安装额外独立的机械肢体,为穿戴者提供支撑负载等辅助功能,提高单人作业能力及作业范围。具有四个外肢体的多肢体机器人比单肢体和双肢体机器人的稳定性更好,可实现的任务模式更多,作业能力和作业效率也会有极大的提高,可广泛应用于工业、建筑、医疗、军事、航天等领域,具有极其广阔的发展前景。对多肢体机器人肢体和背板的建模及运动控制方法等方面进行研究分析可以促进多肢体机器人的实用化,具有重要的理论价值和现实意义。本文将从以下几个方面对多肢体机器人展开研究:根据多肢体机器人的机械结构,建立肢体的正、逆运动学模型,实现多肢体机器人关节坐标系与笛卡尔坐标系之间的转换,并基于运动学方程对其工作空间进行求解分析。根据拉格朗日力学法则推导出肢体动力学方程,通过Recurdyn软件搭建的多肢体机器人三维仿真平台,对肢体动力学模型进行验证分析。根据多肢体机器人支撑相末端在世界坐标系中的位置及背板到肢体末端的齐次变换矩阵,递归推导出背板的正、逆运动学模型。基于运动学模型对处于悬挂支撑姿态的多肢体机器人进行位置控制,实现机器人支撑人体的同时进行平稳移动,并调整机器人姿态以适应不平整的支撑面。采用模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的方法,对非线性、强耦合、多输入多输出的肢体模型进行轨迹跟踪控制。建立多肢体机器人的预测模型,给出优化策略的数学描述和求解步骤,通过优化校正肢体末端位置与期望位置的偏差实现肢体的关节力矩控制,最终实现末端轨迹跟踪控制。考虑到刚性多肢体机器人与环境交互时产生的接触力过大的问题,分别针对摆动相的肢体和支撑相的背板设计了柔顺控制策略。通过对机械臂阻抗控制方法的原理及特性进行分析,基于肢体动力学模型设计肢体柔顺控制方法。建立作用在背板质心上的虚拟力模型,推导悬挂状态下作用在背板虚拟力和支撑肢末端受力间的关系,通过控制各支撑肢的关节力矩来调整背板质心虚拟力大小。调整背板虚拟力的大小控制背板的位置和姿态以及移动速度和转角速度,实现对背板运动的柔顺控制。

关键词： 柔顺控制   水下机械手   基于位置的阻抗控制   力跟踪   参数辨识  

摘要： 水下机械手是水下机器人与环境直接交互、完成作业的重要工具。对于要求力控的作业任务,水下机械手应当具备主动柔顺能力。相比于空气环境,水下环境较为复杂,存在水阻力、水流随机干扰等影响。阻抗控制方法是一种经典的柔顺控制方法,但是在水下环境中不像在空气环境中一样具备良好的力跟踪能力。本文针对水下机械手的力跟踪柔顺能力,基于阻抗控制方法进行了仿真与实验研究。建立了水下机械手的动力学模型,分析了水环境对水下机械手的作用力。对目标物体被抓取时的状态进行了力学分析,将水下环境的影响分为直接作用于机械手的直接作用和通过目标物体传递给机械手干扰力的间接作用。分析了基于位置的阻抗控制方法在水下环境的问题。基于Simulink平台搭建了仿真环境,讨论了目标阻抗参数对控制系统的影响。引入水下环境中目标物体的位置和刚度预估误差以及水环境干扰力的影响,对基于位置的阻抗控制方法进行了仿真分析。针对基于位置的阻抗控制在水下环境的问题,设计了刚度调整自适应阻抗控制器和参数辨识自校正阻抗控制器。基于Simulink搭建控制器模型,通过仿真验证了所提出的方法能够解决环境参数预估误差和水环境干扰力的问题,并且对水流干扰力都有一定的抵抗能力。通过进一步的仿真对比确定了更适用于水下柔顺抓取任务的阻抗控制器。设计了上位机-控制层-执行层的分层式运动控制系统,搭建了水下抓取实验平台。对力传感器进行标定,并进行水下阻抗控制抓取实验。实验表明,控制器能够在真实的水下环境中执行力跟踪抓取任务,具有良好的性能。

关键词： 串联机械臂   主动柔顺   六维力传感器   自适应阻抗控制  

摘要： 数字化与智能化是制造业发展的必然趋势,机械臂作为制造业中不可或缺的自动化设备,发挥着至关重要的作用。随着《中国制造2025》等一系列国家指导政策的出台,机械臂的理论研究与行业应用也被推上了新的台阶。现目前,接触式作业在机械臂的目标任务中已变得愈发普遍,例如抛光打磨、工件装配和物体抓取等。这类任务要求机械臂在高精度位置控制的基础上,对与外界环境的接触力进行精准控制,使机械臂处于柔顺状态。为了实现接触式作业机械臂的柔顺控制,本文以实验室现有的六自由度机械臂为对象,开展了如下研究与试验工作:(1)机械臂运动学与动力学分析。根据机械臂本体结构建立连杆坐标系,使用D-H参数法和齐次变换矩阵理论求取其运动学正解;联立使用几何法和分离变量法求取机械臂运动学逆解;使用Matlab软件对所求取的机械臂运动学正逆解进行仿真验证。建立机械臂动力学模型,分析了模型中的不确定性因素。(2)机械臂执行器力觉感知研究。搭建机械臂执行器力/力矩信息采集系统,完成传感器坐标系到机械臂基坐标系的转换。针对六维力传感器存在零点漂移、不同姿下执行器重力会影响实测值这两个问题,进行了传感器标定和重力补偿实验。考虑理论补偿模型的受限性,设计了基于RBF神经网络的姿态力觉映射模型,并完成网络训练。(3)机械臂柔顺控制方法研究。分析基于力和基于位置两种阻抗控制的原理,设计基于位置的自适应阻抗控制算法,使用李雅普诺夫方法求取参数调整规律,并分析了系统的收敛条件。在Matlab平台上搭建了控制系统仿真模型,完成简单阻抗和自适应阻抗的对比仿真试验,包括阻抗参数变化、接触力跟踪和环境参数变化三种仿真情形。(4)机械臂柔顺控制实验探究。搭建机械臂柔顺控制实验平台,根据实验需求开发控制软件。使用六自由度机械臂完成了笛卡尔空间牵引、平面打磨和曲面打磨三个实验。实验结果表明,系统可以自动适应环境参数变化,保持法向恒定接触力,实现了接触作业机械臂的主动柔顺控制。

关键词： 上肢康复机器人   拉格朗日动力学   结构参数标定   导纳控制   Simulink仿真  

摘要： 随着我国人口迈入中度老龄化,脑卒中发病率逐年增加。脑卒中患者运动功能的康复与重建也就引起了研究者的重视。科学的研究结果表明:大量有目标的重复康复训练对脑卒中患者运动功能的恢复非常有效。传统的康复训练是依靠康复治疗师一对一辅助进行,存在时间协调困难,效率低,控制精度差,工作强度高等问题。随着康复医学和机器人技术的发展,康复机器人在中风康复训练上得到了越来越多的应用。为了提高控制精度,确保康复效果,有必要标定上肢康复机器人的运动参数。考虑患者患肢的脆弱,机构的柔顺性就显得十分重要,对于刚性机构,其柔顺性主要靠力/位置控制实现,这就对控制策略提出了要求。本文结合一种三自由度串并混联结构的上肢康复机器人样机,完成了康复机器人的运动学、动力学模型的建立并利用仿真验证模型的正确性、对样机的结构参数进行了标定修正、针对机器人结构特性和实际训练需求提出一种柔顺控制方案,搭建了仿真模型验证了控制方案的可行性。本文的主要研究内容如下:针对运动学和动力学求解问题,本文分别采用矢量法和几何法确定了机器人的正运动学和逆运动学模型,在运动学的基础上使用拉格朗日方法建立了机器人的动力学模型,然后在相同参数下分别使用龙格库塔法和Adams仿真求解动力学模型,对比验证了运动学和动力学方程的正确性。针对康复机器人样机参数校准问题,本文使用了Qualysis运动采集系统作为标定数据来源,并用扩展Calman滤波法处理采集数据,建立了误差模型,在此基础上完成了基坐标以及结构参数的标定。针对机器人人机交互问题,本文从安全性和实用性角度出发,分析各柔顺控制方案后,从机器人实际结构出发采用了导纳原理作为柔顺控制的基础,在此基础上设计了滑模控制规则以及模糊规则,结合成模糊滑模导纳控制方案从而实现保持交互力在一定范围内的同时对位置进行跟踪。针对柔顺控制理论的验证,本文采用Matlab的Simulink工具,在机器人的动力学的基础上建立了仿真模型,导入修正后的机构参数进行了仿真实验,对仿真实验结果进行了分析,并在仿真结果的基础上对控制方案进行了评估。本研究为后续开展串并混联上肢康复机器人的制定奠定了基础,所使用的机器人结构参数方法及机器人柔顺控制方案具有一定的适用性,可为其它机器人的机构参数标定和柔顺控制研究提供借鉴。

关键词： 机器人   阻抗控制   神经网络   奇异摄动   串联弹性执行器   饱和控制  

摘要： 机器人在执行打磨、分拣、搬运等任务时会和环境（人或被操作物）产生直接接触,接触力过大则会造成机器人本体的损坏或给所接触的环境带来伤害。因此,机器人必须具有一定的柔顺性来保证进行环境交互作业时的安全,而建立机器人柔顺控制是提高交互柔顺性的重要途径。阻抗控制可以调节力和位置之间的动态关系,建立弹簧-阻尼动态系统,来实现主动柔顺控制;串联弹性执行器（SEA）是一种新兴的被动柔顺器件,其输出阻抗低、弹性耐冲击、能量储存效率高、传力平稳,可以有效提高与环境交互的安全性。但机器人控制系统模型中存在的不确定项以及阻抗参数的时变性影响了阻抗控制的稳定性;SEA驱动器的实际输出功率有限,使得SEA驱动机器人存在控制输入的饱和。因此,本论文研究机器人自适应变阻抗控制和SEA驱动机器人的饱和控制具有重要的意义。本文的主要研究工作如下:1)基于并联机器人的动力学模型,提出了一种自适应神经网络变阻抗控制。构建变阻抗参数的约束条件,保证期望一阶和二阶变阻抗动态的指数稳定,从而保证期望变阻抗动态中机器人位置、速度以及加速度的有界性。提出带有死区调节的自适应神经网络控制器,通过相应变阻抗误差的收敛,分别保证了期望的一阶和二阶变阻抗动态的实现。通过理论分析和仿真结果,验证了设计的变阻抗控制器的稳定性和有效性。2)基于SEA驱动并联机器人,提出了一种基于能量生成的机器人饱和非线性控制策略。基于能量生成,设计了一个由饱和PD输出调节项和静态重力补偿项组成的非线性饱和控制器。通过引入双曲正切函数,对控制输入的幅值进行限制,保证控制输入约束的满足。分析了系统的稳定性,根据La Salle定理证明了闭环系统的渐近稳定。3)基于SEA驱动并联机器人,提出了一种基于奇异摄动法的自适应饱和控制策略。基于奇异摄动法,将控制系统分解为慢变子系统和快变子系统。为慢变子系统设计由饱和PD控制项和有界的重力估计项组成的饱和控制,为快变执行器子系统设计了有界的类微分控制项。最后,根据Hoppensteadt理论,证明了闭环控制系统全局渐近稳定。

关键词： 工业机器人   阻抗控制   轨迹规划   B样条曲线   LinuxCNC  

摘要： 工业机器人是指用于工业领域的多关节机械手臂,其发展水平是衡量一个国家制造业水平高低的重要标准。中国作为制造业大国,研究机器人技术,发展工业机器人产业,对于加速制造业转型升级、提高我国制造业国际竞争力,加快迈入制造强国行列,具有重大意义。轨迹规划是机器人技术中至关重要的一环,关系到了工业机器人的性能以及精度,因此对轨迹规划展开研究对于提高工业机器人的性能不可或缺。同时由于工业机器人在工作中难免会发生碰撞,考虑到机器人以及工作人员的安全,机器人应当具备顺应外界作用力的能力。阻抗控制是使机器人具备柔顺性的一种常用方法,本文同样对其展开研究。本文的主要内容有:首先,本文对开源数控软件Linux CNC进行了研究,并详细分析了其中较为核心的任务控制器和运动控制器的工作原理,为后续在该平台实现相关算法并进行实验分析提供了理论基础。其次,研究了笛卡尔空间内的B样条轨迹规划,引入了瞬时速度插补法对B样条进行插补,仿真结果表明使用该方法在插补过程中对位置误差进行控制相比于等距插补法更加方便。针对时间最优轨迹规划问题,本文提出一种关节空间下结合B样条曲线和改进粒子群算法的规划方法,改进粒子群算法中使用变学习因子而不是常量学习因子以避免粒子群容易陷入局部解的问题,并采用回滚技术保持粒子群的多样性。仿真结果表明使用该方法可以得到时间最优轨迹。再次,研究了机器人阻抗控制。针对未装有力传感器的机器人,提出了使用阻尼刚度模型的阻抗控制,该方法只需要机器人带有编码器就可使机器人具备一定的柔顺性。在Matlab中对传统阻抗控制和使用阻尼刚度模型的阻抗控制进行了对比,结果表明使用阻尼刚度模型的阻抗控制能够使机器人具备柔顺性,但取得的柔顺性与期望阻抗间存在着一定偏差。最后,在实验室现有的机器人实验平台上,对所提方法设计了相关实验,验证了方法的有效性。

关键词： 仿生机器人   导纳控制   肌肉模型   柔顺控制   并联机构  

摘要： 近几年,随着科技的不断进步,特别是人工智能的崛起,与之密切相关的机器人研究也在飞速发展。其中,仿生机器人作为机器人研究领域中的热点,越来越引起各国科研人员的关注,如今已经取得很多优秀的成果。本文提出一种仿生肌肉控制策略,其本质上是一种采用肌肉模型去设计可变导纳控制器的柔顺运动控制策略,属于运动行为的仿生,将在并联机构平台上展开对该策略的相关研究。本文首先对肌肉模型和机器人柔顺运动控制进行了调研,并对其近几年的研究成果进行分析,进而确定了仿生肌肉控制研究的内容和方法。接着,在Hill型肌肉模型的基础上,提出虚拟主动肌-拮抗肌模型,设计应用于关节的可变导纳控制器,完成对仿生肌肉控制的数学建模。然后,将仿生肌肉控制应用于并联机构上,设计相应的控制框架,将其与PID控制和刚度自适应控制相结合,另外对并联机构进行逆运动学分析,通过联合仿真验证仿生肌肉控制能够使相应关节产生柔顺性行为,并呈现出肌肉样的功能,分析肌肉参数对控制效果的影响。其中,刚度自适应控制通过设计期望刚度模型和双速率积分学习模型,实时调节刚度系数,使得仿生肌肉控制的输出即关节的偏转角度大小适中,满足关节柔顺性适度的要求。最后,通过搭建并联机构实验平台,将仿生肌肉控制算法在实验平台上进行实现。在进行实验前,对并联机构的硬件系统进行掌握,接着主要是在Lab VIEW软件中进行相应程序的模块化编译。在硬件系统和软件程序准备完成后,设计实验过程并完成实验,对实验结果进行分析,验证仿生肌肉控制算法、刚度自适应控制算法以及姿态闭环控制算法的有效性和合理性。