关键词： 核电站作业机器人   机械臂   运动学分析   视觉检测算法   柔顺控制  

摘要： 随着我国核电规模的扩大,核电站的日常检修与维护及故障排查工作成为急需解决的问题。核电站内RCV过滤器的更换属于日常检修工作的一种,此项工作需要打开密封法兰盖,以往由人工作业完成,作业人员需要穿戴复杂的防护措施,作业劳动强度大,辐射风险高,工作人员的健康面临严重的威胁。采用机器人代替人工打开密封法兰盖,可以有效减少作业人员受到辐照的时间,极具研究意义。论文设计了一款核电站法兰盖开盖机器人样机,并且为使机器人机械臂准确定位至法兰盖以及安全有效的对接密封螺栓,提出了相应的控制方法,并在研制的样机上进行了法兰盖开盖的作业测试。论文首先分析了核电站RCV密封法兰盖的作业环境及使用法兰盖开盖机器人进行开盖作业的流程,对机器人的整体结构及机械臂结构进行了研究,并在此基础上建立了机械臂的运动学模型,求解了末端工作空间,证明了所设计的机械臂结构用于法兰盖开盖任务的可行性,介绍了机器人测控系统的结构,为后文的作业控制提供了基础。其次,研究了法兰盖的对中控制方法。采用基于SSD的视觉检测算法对法兰盖及密封螺栓识别,并进行了相机标定,通过PNP问题的求解确定了目标点在相机坐标系下的三维坐标,然后经手眼标定将相机坐标系下的目标坐标转换为机械臂基座标系下的坐标,通过逆运动学求解得到各关节电机的控制量,并采用模糊-PID控制方法对单关节电机进行位置控制,完成法兰盖初步对中任务。再次,研究了密封螺栓的柔顺对接控制方法。由于套筒扳手与螺母之间很难完全对准吻合,为了实现两者之间的柔顺对接,首先采用激光距离传感器将套筒姿态调至与法兰盖完全垂直,在机械臂垂直向螺栓进给过程中,采用基于力传感器的末端位置主动柔顺控制方法,对两者之间的位置偏差进行主动柔顺调节,使套筒扳手顺利裹覆螺母以便进行拧松。最后在研制的法兰盖开盖机器人实验样机上进行了机械手臂的运动控制测试、螺栓的柔顺对接控制测试以及整机作业测试,结果表明机器人能准确完成法兰盖及螺栓的对中和对接控制,验证了机器人进行开盖作业的有效性和可行性。

关键词： 航空叶片   超声表面强化   六自由度工业机器人   超声换能器大振幅输出   路径自适应规划   接触力柔顺控制  

摘要： 航空发动机叶片的表面强化对提高发动机使用寿命和工作效率、提升飞机飞行安全具有重要意义。由于叶片的材料钛合金具有比强度高的特点,对其进行超声强化需要大振幅稳定输出的超声换能器。另外,为了提高超声强化的自动化水平和实现叶片表面的高精度强化加工,需要应用工业机器人装载强化装置以自动完成工艺过程,并且工业机器人工作时需要进行特定的运动规划以及接触力的柔顺控制。本文的研究内容包括四个部分。(1)可提供大振幅稳定输出的超声表面强化换能器研制。对于TC4钛合金的超声强化,需要换能器提供持续稳定的大振幅输出。采用稀土超磁致伸缩材料代替压电陶瓷来研制超声换能器,以Terfenol-D棒为核心元件设计复合振子,提高前后振速比与振动稳定性。通过复合振子模态分析,得到振型良好的固有频率,获得大振幅输出,同时稀土超磁致伸缩换能器的整体有限元磁场分析验证了其整体磁场封闭并且分布合理。经测试,所研制的换能器在方波20 k Hz的条件下,输出振幅可达11.3μm,测试材料强化区域的表面质量分布均匀良好,体现出换能器能够保持有效振幅的持续稳定输出。(2)基于超声表面强化动力响应的机器人运动规划。一方面构建关于TC4钛合金超声表面强化动力响应模型,获取强化过程中的工具头运动状态及压深信息。另一方面基于此响应模型对航空叶片表面超声强化路径点进行合理提取,使整体路径分布可根据叶片表面曲率自适应调整,在保证强化质量的同时提高效率。为描述超声强化工具头在机器人任务空间的位姿,建立机器人与末端超声强化装置的联合运动学模型,基于四元数球面立体插值法进行平滑的工具头姿态轨迹规划。通过算法仿真验证,得到适用于叶片表面超声强化的机器人运动规划方法。(3)机器人超声表面强化接触力柔顺控制。将机器人的位置控制和力控制进行解耦,采用智能控制方法对柔顺力控制装置的输出力进行控制,解决航空叶片表面超声强化作业过程中在多冲击与震荡工况环境下的接触力恒定控制问题。通过时域测定法对柔顺力控制装置系统进行参数辨识,获得其实验测定模型。将模糊PID控制器与RBF神经网络相结合进行柔顺力控制装置的输出接触力恒定控制,使控制器具有自适应性和智能性,改善系统的响应性能和跟随鲁棒性。该柔顺控制策略实现了对柔顺力控制装置系统的控制优化,有效提升柔顺控制器的静态特性和动态特性。(4)航空叶片的机器人超声表面强化实验。通过分析柔顺力控制系统的响应性能、控制精度与跟随鲁棒性,验证采用模糊RBF神经网络PID控制方法可以有效提高柔顺力控制装置输出力的响应性能,提高系统动态特性,实现系统的快速调节。设计响应曲面实验法,研究机器人超声强化加工主要工艺因素对强化后的表面粗糙度以及表面硬度的交互影响规律,并获取最优的加工参数组合。钛合金叶片表面经机器人超声强化后形成规则均匀的条纹状强化纹理,表面粗糙度由Ra2.7μm降低到Ra 0.8μm左右,表面硬度从585 HL提高到672 HL左右,表面残余压应力最大可达841 MPa,压应力层深度接近1.2 mm,从而为面向航空叶片表面超声强化的机器人运动规划及柔顺控制技术的实际应用提供可行性参考。

关键词： 深度强化学习   阻抗控制   柔顺控制   深孔装配   串联力传感器  

摘要： 随着机器人技术在工业生产中的广泛运用,人们对机器人的控制要求也逐步提高,越来越多的应用场景,不仅需要对机器人的位置控制精度有严格要求,而且也对其末端与环境的接触力的大小同样也有规定。利用机器人力觉控制技术实现机器人柔性控制作业,不仅能避免机器人与环境间过大的接触力,而且对于不确定的目标环境下感知操作任务,也有更深远的意义。与此同时,近年来随着强化学习迅猛发展,从感知到决策、端到端的设计模式等各种模型的强化学习都具有非常广泛的应用和前景,它的兴起和发展也将进一步促使人工智能的发展。如何将智能类算法与机器人力控技术相结合,也是实现智能控制亟待解决的重要课题。因此本文利用实验室自研的串联式六维力传感器,以深孔装配任务作为实验的任务场景,提出了两种不同的力控方法。首先,本文对实验中使用的串联式六维力传感器的结构原理进行相关研究,并指出使用该传感器的必要性,同时实现动觉示教功能为人机协作和学习类算法提供支持。最后,基于串联式六维力传感器的深孔装配任务,设计了人机协作的总体装配策略和流程。其次,将阻抗控制算法运用于深孔装配任务中。首先对实验设备UR10机器人进行运动学和动力学分析,作为机器人控制相关基础性工作。然后对阻抗控制中两种控制形式进行原理分析与实验对比,针对导纳控制与环境接触时不稳定的问题,提出增添毛毡缓冲材料的解决办法。最后对阻抗关系参数进行调优,通过1170次对比装配实验,得到相对最优的阻抗关系参数。然后,将深度强化学习算法运用于深孔装配任务中。首先对深度强化学习的基础内容进行介绍,并推导了DQN算法。然后在此基础上,针对深孔装配任务对DQN算法进行了整体流程设计、状态设定、动作设定和奖励设定,最终实现相较于基于阻抗控制的力控方法的装配综合性能提高15.6%。最后,在真实场景下对本文提出的力控方法进行训练与实验。首先设计并搭建了一套基于两种力控方法的软件系统,实现传感器、机器人控制器、力控算法和交互界面的联动工作。最后在软件系统的基础上,分别进行了两种力控方法的装配实验,验证所提出的力控方法和装配策略的有效性。

关键词： 控制器在环仿真   轨迹规划   柔顺控制   目标抓捕  

摘要： 智能打捞作业拟在高海况下利用舰载机器人完成高价值海面漂浮物的抓取和可靠回收。为解决其中涉及的波浪动力学分析、大型串联机器人功能设计、海面漂浮物运动预测、海面漂浮物的智能抓捕等一系列核心技术问题,需构建一个半实物仿真系统,利用成熟的仿真技术来优化设计和训练控制算法。考虑控制器算法设计和验证的复杂性,特别需要构建控制器在环的仿真系统进行设计。本文在已有的半实物仿真系统基础上,对控制器在环仿真系统进行设计,为了和不同仿真模式下的信号连接相匹配,对系统信息流进行了设计。将液压系统与机械系统的模型集成于实时仿真平台。将运动学模型、轨迹规划集成于上位机,控制算法集成于下位机,并制定了上下位机之间的通讯方式。针对机器人运动学与动力学进行分析,建立了机器人正运动学模型,分别采用了解析法、BP神经网络法、牛顿法求解机器人的逆运动学,并对这三种方法的效果进行了对比。然后分别建立了机器人动力学模型与机械手动力学模型,为控制器在环仿真提供了仿真模型。针对机器人的运动轨迹进行了规划,首先对跟踪过程中的相对位置进行设计,使机器人在跟踪目标时,能够保证目标在视觉相机观测范围之内。然后在关节空间进行轨迹规划,分别采用4-3-4轨迹和基于加速度轨迹进行规划,并对两种方法进行了对比,结果表明,基于加速度轨迹规划方法的轨迹更为平滑,能够减小冲击。同时,针对实验中可能出现的碰撞现象设计了防碰撞机制,仿真结果表明,防碰撞机制能够有效地避免碰撞的发生,保证实验的安全进行。针对机器人控制系统进行设计,首先对机器人液压驱动系统进行建模。考虑到在抓捕的过程中,机械手与目标可能会发生较大程度的碰撞,为保证抓捕过程的柔顺性,避免设备损坏,为机器人设计了柔顺控制算法。同时考虑到机器人抓捕目标后结构突变的影响,设计了变负载控制算法,仿真结果表明,所设计的控制算法能够顺利完成机器人对目标的跟踪和抓捕。最后利用控制器在环仿真系统进行总体调试和实验验证,将控制器硬件接入仿真实物,对控制器进行实物仿真,验证了目标抓捕策略的有效性。

关键词： 柔顺控制   自适应控制   阻抗控制   模糊控制   神经网络  

摘要： 随着飞机数量日益增加,对于飞机外表面蒙皮的清洗工作也愈加繁重,且清洗工人在高处进行清洗作业存在着很大的危险隐患。因此,采用自动化清洗是飞机外表面清洗模式的必然趋势。在飞机清洗臂清洗飞机时,为避免破坏飞机机身,需要精准控制清洗臂的位置以及接触力大小,因此提高清洗臂的柔顺性是完成清洗任务的关键。本文针对飞机清洗臂清洗飞机蒙皮过程中的接触力控制问题,以阻抗控制为基础,结合智能控制方法进行了研究,具体包括试验样机搭建,清洗臂动力学参数辨识研究以及清洗臂的智能阻抗控制研究。(1)对飞机表面清洗臂试验样机的结构、硬件及控制系统进行了详细的论述。为提升阻抗控制精度,需对影响动力学的因素进行补偿,利用Lagrange法建立了飞机清洗臂动力学模型,并设计了一种用于清洗臂动力学参数辨识的回归模型。该模型只需获取位置和速度的数据,减少了采集数据的时间。最后,通过实验,证实了所设计清洗臂样机的有效性。并基于此样机,对建立的动力学参数辨识回归模型进行实验验证,实验结果表明了该模型的有效性。(2)针对飞机清洗臂清洗飞机蒙皮过程中的接触力控制问题,设计了基于位置的模糊自适应阻抗控制方法。在阻抗控制的基础上引入自适应控制与模糊控制,解决了传统阻抗控制中,位置跟踪精度不够的问题,提高了位置跟踪的准确性和稳定性。搭建Matlab/Simulink仿真平台,仿真结果表明,该方法可以准确的实现对清洗臂末端的位置控制,提高了清洗臂的跟踪效果。(3)当清洗臂面对刚度突变等环境问题时,无法满足跟踪要求,针对此问题,设计了一种基于递归模糊小波神经网络(RFWNN)的自适应控制方法。该方法将阻抗参数作为一个变量,并利用RFWNN进行估计,降低了计算复杂度,并引入一个稳定系数来保证变阻抗系统的稳定性。针对控制系统中的扰动与饱和问题,采用模糊动态面控制器,消除外部干扰。最后通过仿真,验证了所提方法的有效性。

关键词： 足式机器人   液压驱动系统   阻抗控制   被动弹簧   柔顺控制  

摘要： 液压驱动型足式机器人有着优异的承载能力及响应速度,适用于各类复杂地形下搬运物资、侦察及救援等,现已成为各国的研究热点。足式机器人在复杂环境下稳定行走最大的干扰因素是足端与环境之间不可预测的碰撞冲击力,为避免机器人运行中的失衡以及对部分元件造成破坏,足式机器人应具备一定的柔顺特性。柔顺控制分为主动柔顺控制与被动柔顺控制,目前主动柔顺控制方法在液压系统中得到了广泛应用,可以较好地实现柔顺控制效果,但是在减缓瞬间冲击力等某些方面逊于被动柔顺控制;若仅采用被动柔顺控制又会对系统性能造成影响。因此,探究主被动柔顺控制之间的关系,寻找到行之有效的主被动复合柔顺控制方法是十分必要的。本文针对足式机器人三自由度腿部液压驱动系统,以减缓腿部液压驱动系统碰撞冲击力,提升足式机器人腿部柔顺特性为目标,主要研究工作如下:(1)本文首先对三自由度足式机器人腿部落地冲击力进行分析。利用IMPACT接触模型,分析了系统落地碰撞问题,利用状态空间方程建立了单自由度驱动单元主被动复合柔顺模型,模拟落地产生碰撞冲击力的过程;利用笛卡尔空间柔顺控制方法,将主被动复合柔顺控制模型延伸到足式机器人腿部中;分析了单自由度驱动单元及足式机器人腿部主被动复合柔顺控制模型,得到了主被动复合柔顺串联耦合关系,为足式机器人腿部实际运行时主被动柔顺参数调整提供依据。(2)分别搭建了系统的数学模型和虚拟物理模型,并在多工况下仿真分析单自由度驱动单元主被动复合柔顺效果,得到了主被动柔顺参数的选取规律;搭建了三自由度足式机器人腿部虚拟物理模型,验证了利用笛卡尔空间柔顺控制方法,将主被动柔顺控制延伸到足式机器人腿部的可行性。(3)依据加装被动弹簧后的足式机器人腿部机械结构,解算了足端与踝关节末端的运动学正反解,并得到了关节角度与液压驱动单元伸出长度关系;结合笛卡尔空间柔顺控制方法,建立了足式机器人腿部液压系统主被动复合柔顺控制模型;利用MATLAB/Simulink和Adams搭建了联合仿真模型进行仿真分析。(4)利用足式机器人腿部液压驱动系统性能测试实验台,验证了运动学正反解的准确性;其次,分别采用无柔顺控制、主动柔顺控制、被动柔顺控制和主被动复合柔顺控制4种控制方法,将足式机器人腿部从一定高度摔向地面,验证主被动复合柔顺控制方法融合了主动柔顺与被动柔顺各自的优点,在足式机器人腿部各关节及足端均表现出了较好的柔顺效果。

关键词： 机器人   开箱作业   运动学   轨迹规划   动力学   柔顺控制  

摘要： 随着电网设备规模的增大,具备移动巡视功能的电力机器人已推广应用在变电站设备的状态监测和管控等场景。但由于机器人巡视所能覆盖的非接触任务只占据运检工作的一部分,因此为提升其智能化作业水平,要求巡检机器人必须具备更强的操作能力以适应巡检任务的多样性。而变电站设备箱柜门的开启作为柜内操作的前提,是作业任务中不可或缺的一环。本文以机器人在变电站巡检过程中需要解决的操作问题为背景展开研究,以开启电力箱柜门为任务目标,重点研究机器人开箱作业的主动柔顺控制问题,主要研究内容如下:首先,针对机器人开箱作业任务进行高层规划,并分析其任务控制中的柔顺需求。通过分析开箱作业任务在机器人巡检任务中的地位,明确其任务范畴。以标准电力屏柜作为研究对象,围绕屏柜门开启时机械部件的运动轨迹,将总任务划为子任务,并对子任务进行具体的动作规划。从安全性角度出发,根据动作实现的难点分析开箱作业过程中的柔顺控制需求。其次,以六自由度机械臂作为控制对象,结合具体的开箱作业任务研究机械臂的运动轨迹规划问题。基于Denavit-Hartenberg法进行机械臂建模,通过推导正逆运动学方程建立末端位姿与关节角度的运算关系。根据开箱作业任务的具体动作,在接触情况下通过闭链运动约束关系进行笛卡尔空间轨迹规划;在非接触情况下采用五次多项式插值法进行关节空间轨迹规划,为后续的机械臂控制提供了基础。再次,建立描述机械臂与环境的交互关系的动力学模型,设计基于阻抗控制的机器人开箱作业主动柔顺控制策略。建立机械臂的动力学模型以实现对关节驱动力矩的精确控制,保证作业的平稳柔顺;建立开箱作业任务关键阶段的环境动力学模型,以描述机械臂与环境的交互关系。在此基础上,提出基于阻抗控制的主动柔顺控制策略,从位置和力两个角度出发分别设计相应的阻抗控制器,通过仿真定性分析了阻抗参数对系统特性的影响。最后,搭建机器人开箱作业的综合仿真模型和实验平台,对阻抗控制器的控制效果进行测试验证。基于MATLAB搭建机械臂模型和阻抗控制系统模型,对开箱作业中的按压和旋转门把手子任务进行仿真分析。搭建变电站作业机器人实验平台,针对按钮按压过程进行实验,验证了阻抗控制器的控制效果。本文对电力屏柜柜门开启任务的动作进行规划,并采用基于阻抗控制的主动柔顺控制方法实现了机器人与屏柜接触时良好的柔顺性效果,保证了作业的有效性和安全性,为后续提高机器人操作能力提供了一种有效的解决思路。

关键词： 超冗余机械臂   协调操作   阻抗控制   粒子群优化  

摘要： 传统的非冗余机械臂以其控制结构简单、运动规划简单等优势已经在工业生产、餐饮服务、医疗健康等领域得到广泛应用。然而,其有限的灵活性使其只适合完成一些重复、简单的工作。冗余机械臂以其灵活性强、避障能力强、操作性能好等优点被国内外学者广泛研究。但实际应用中,由于单机械臂自身条件的限制,很多工作任务难以独立完成。与单机械臂工作相比,人-机械臂、双机械臂协调操作具有更大的作业空间、更强的作业能力,机械臂协调操作、相互配合完成某种作业的需求越来越大。以此同时,诸多的优势带来了对控制方法更高的要求。本文以九自由度超冗余机械臂为研究对象,开展了对其协调操作柔顺控制方法的研究工作。本文主要研究工作如下:首先,建立超冗余机械臂的运动学与动力学模型。采用D-H参数法对运动学进行建模分析,推导坐标变换矩阵;采用梯度投影法求解该机械臂的逆运动学解。运用牛顿-欧拉方程和连杆的速度迭代关系建立机械臂动力学模型。其次,设计位置协调操作控制方法并完成仿真。对于仅对位置协调有要求的协调操作任务,基于超冗余机械臂动力学模型,推导出计算力矩法位置协调轨迹跟踪控制方法并用Matlab/Simulink完成仿真,实现了超冗余机械臂的位置协调轨迹跟踪控制。再次,设计力/位置协调操作控制方法并完成仿真。针对力和位置都有要求的协调操作任务,分别设计了基于离线参数调整的力/位置协调阻抗控制方法和基于在线粒子群算法优化参数的力/位置协调阻抗控制方法,并用Matlab/Simulink对两种方法进行仿真。前者通过阻抗参数的调整寻找阻抗参数的变化对力/位置协调操作任务效果的影响,后者利用粒子群算法在线优化得到最优的阻抗控制参数组,使系统达到较高的控制精度并完成仿真。最后,针对课题研究内容设计并进行协调操作物理实验,搭建协调操作实验平台对仿真结果进行了验证。利用六维力传感器对实验过程中机械臂末端接触力数据进行了采集与分析,验证了所提柔顺控制方法的有效性。

关键词： 空间多臂机器人   抓取点布局   构型优化   柔顺控制  

摘要： 随着时代的发展,人类对空间探索的不断深入,空间机器人以其应用场景的多样性,越来越成为未来空间探索及应用的主力。同时随着失效航天器的增加,在轨装配零件结构大型化,大型目标捕获逐渐成为空间在轨任务重要组成部分,以大型目标捕获为任务的在轨服务越来越称为空间发展的主要趋势。然而由于单臂机器人稳定性较差,负载能力有限,仅仅依靠单臂机器人远远不能满足大型目标的在轨抓取任务要求。空间多臂机器人以其负载能力大、效率高,极大的提高了在轨抓取能力的上限。在抓取大型目标过程中,如果抓取点的位置选取不当,不仅会导致系统不稳、任务受限甚至可能造成目标受损而造成任务失败,因此抓取点的选取是空间多臂机器人完成抓取任务的前提条件。确定了抓取位置后,为了使空间多臂机器人抓取物体时能够具备最优的移动和负载能力,需要对空间多臂机器人抓取物体前构型进行优化。另外空间多臂机器人在抓取物体的接触过程中,由于惯性、刚度以及速度等干扰,机器人末端会在接触点处产生振动,因此机器人在抓取物体时进行柔顺控制来保证机器人末端抓取物体的稳定性和精确性具有重要意义。本文以空间多臂机器人为研究对象,针对大型目标捕获的任务场景开展空间多臂机器人抓取策略研究。具体包括基于抓取稳定性和运动能力综合指标的目标物体抓取点布局规划、基于综合可操作度指标的抓取构型优化以及抓取过程中的柔顺控制策略研究。首先开展基于抓取稳定性和运动能力综合指标的目标物体抓取点布局规划。针对抓取点展开约束分析,确定机器人抓取接触类型,抓取点到物体坐标系的映射关系;并对抓取点的抗扰动能力和运动能力进行分析,提出并构建了基于抓取稳定性和运动能力综合指标,利用层次分析法根据具体任务确定各指标权重;以抓取综合指标为优化目标,基于蒙特卡洛法对抓取点进行布局优化,通过仿真验证了所提抓取点布局最优,为后续抓取操作进行提供了保障。其次,开展基于综合可操作度的空间多臂机器人抓取构型优化方法研究。对空间多臂机器人运动学及动力学进行分析,并建立了多臂机器人运动学及动力学模型;在构建的多臂机器人运动学及动力学模型的基础上,提出并建立了同时考虑关节速度和关节力矩传递特性的综合可操作度指标作为构型优化目标函数;并根据第二章优化后的抓取点布局确定抓取位姿,基于粒子群算法在机器人关节角限定范围内,以综合可操作度指标作为适应度函数,对多臂机器人的抓取构型进行优化,最终得到空间多臂机器人的最优构型;通过仿真验证了空间多臂机器人在最优抓取构型下综合可操作度最大,并对初始构型到最优抓取构型进行规划,为后续空间多臂机器人抓取柔顺控制奠定了基础。然后,开展空间多臂机器人抓取接触目标物体过程中柔顺控制方法研究。针对机器人在接触物体的过程中,由于惯性、刚度以及速度等干扰,机器人末端会在接触点处产生振动等问题,本文提出了一种基于速度和加速度反馈的空间多臂机器人抓取柔顺控制策略,同时考虑到机械臂末端由于反弹振动可能脱离物体表面,设计了机器人从自由空间向约束空间的控制切换策略,使得机械臂末端与物体接触时可以减小振荡,实现抓取过程中的稳定过渡。最后,针对面向大型目标捕获的空间多臂机器人抓取策略开展实验研究。基于实验室现有的两条机械臂,改造实验平台,设计多臂机器人抓取接触过程中柔顺控制实验方案。基于采样得到的实验数据进行分析,验证了该算法的有效性和正确性。

关键词： 液压机械臂   接触力软测量   主动柔顺控制   阻抗控制   模糊控制  

摘要： 液压重载机械臂作为机器人的一种,现己广泛应用于救援抢险、军事、航天、深海作业以及工业生产等领域。而对于大流量多自由度复杂构型全液压重载机械臂,首先在跨关节走油布管设计方面,其依旧存在不紧凑、不美观、不可靠、不集成四个问题;其次,在现有主动柔顺控制中,作业对象与机械臂之间的动态接触力的获取感知大都依赖于“娇贵”的力/力矩传感器。而由于液压重载型机械臂输出功率和惯性一般较大,因此其硬性接触瞬间的冲击更大,用力/力矩传感器进行接触力感知,更易超过力/力矩传感器量程,造成传感器损坏,这严重影响重载液压机械臂主动柔顺控制的研究成果走出实验室,运用于精细化作业现场。另一方面,传统位置型阻抗主动柔顺控制策略由于其目标阻抗参数固定,无法根据与作业对象之间的动态交互力特性进行目标阻抗参数合理匹配,因此在保证高外环力跟踪的性能的同时,无法兼顾自由空间中的轨迹跟踪性能以及避免较高的接触过渡阶段的强冲击,也无法对不同刚度的非结构对象具有较高的适应性,因此主动柔顺控制性能差;基于上述存在三个问题,本文重点开展了如下几个方面的研究工作:(1)针对本文研究对象因其具有大流量多自由度复杂构型特性而导致的跨旋转关节液压油路布置难这一问题,首先设计研发了具有滑环功能的重载俯仰关节及具有滑环功能的重载旋转重载关节,并运用静力学分析软件完成了其关键零件的静力学校核工作;然后,在完成了七自由度全液压重载机械臂设计研发、装配及调试工作的基础上,设计试验完成了所设计关节的重载及动密封性能的试验工作,解决了大流量多关节复杂构型的液压重载机械臂跨旋转关节油路不紧凑、不美观、不可靠、不集成工程性问题。(2)建立了平面三自由度液压重载机械臂正逆运动学以及阀控伺服缸液压驱动单元位置控制的数学模型,由此完成了液压重载机械臂位置型阻抗柔顺控制内环位置控制部分的全部传递函数的推导。(3)根据所建液压重载机械臂模型结构参数,首先完成了精准动力学数学理论推导,相关结构参数搭建了液压重载机械平面三自由度的Simulink/AMESim机电液联合仿真平台。并基于此平台上,完成了末端力在线软测量算法仿真模块的实现,最后设计试验装置、制定试验方案,在物理实验平台上完成了末端力在线软测量的试验验证,并取得了较高的软测量精度。(4)研究液压重载机械臂主动柔顺控制。以液压重载机械臂位置型阻抗柔顺控制内环位置控制为基础,在所建液压重载机械的AMESim/Simulink机电液联合仿真平台上,加入传统阻抗控制外环,通过仿真研究分析了传统位置型阻抗控制方法现存在的问题。发现传统位置型阻抗控制由于主动柔顺控制参数固定,在保持力跟踪的同时无法兼顾自由空间空间轨迹跟踪性能差,接触过渡阶段强冲击以及对于不同刚性接触对象阻尼参数难匹配三个问题。由此,提出基于系统观测器上的模糊位置型变阻抗主动柔顺控制策略,并通过仿真验证了该策略有效提高了传统阻抗柔顺控制接触作业的主动柔顺控制效果。