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。

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。