关键词： 双臂机器人   跌落式熔断器   运动分析   轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 电力行业带电作业,安全风险大,劳动强度高,一直是行业高度关注的焦点。采用以双臂机器人为代表的智能装备替代人工作业,既安全高效,节省劳力,还能保障作业质量,是电力运维技术进步的重要发展方向,具有重大科学研究与工程应用价值。电力运维作业环境复杂,带电作业稍有不慎就会导致线路短路、人身伤害等事故。电力元器件的拆卸安装不仅要定位准确,而且要力位恰当,这对双臂机器人的运动规划、空间定位、力位控制与抗干扰控制等都提出了极高要求。为了使双臂机器人能够更加灵活、准确、稳定地带电作业,论文结合线路维护机器人研究课题的实际需求,从双臂机器人的动力学模型构建与分析出发,分别从运动规划、柔顺控制、操作流程三个方面开展研究与设计,完成的工作主要包括:(1)介绍研究背景及应用目标,对双臂机器人带电作业现状及关键技术进行综述研究;分析了机器人系统带电作业需求,提出双臂机器人带电作业系统总体设计方案;面向跌落式熔断器更换作业目标,以运动规划和柔顺控制为关键技术,设计结合多维度感知的系统操作方案。(2)以单臂运动学为理论基础,研究双臂主从与双臂协同两种模式的运动学建模方法,使用蒙特卡洛方法对双臂协作空间进行了分析计算;针对轨迹规划问题,设计点到点以及经过多个中间序列点两种情况下的光滑轨迹插值方法,并针对轨迹插值法进行基于遗传算法的轨迹优化,针对机械臂末端设计相对于基座系和末端坐标系两种情况下的笛卡尔空间轨迹规划方法,并加以实验验证。(3)针对目前常用的柔顺控制方法—阻抗控制进行概述,继而根据实际场景需求开展机械臂的动力学模型建模,根据双臂机器人协调操作中运动和力的约束分析,设计一种基于扩张状态观测器的滑模控制器,结合辨识模型进行反馈线性化来实现机器人的轨迹跟踪控制,从而提升工业机器人轨迹跟踪控制的抗干扰性能。(4)针对带电作业双臂机器人进行现场作业设计。首先对现场作业和作业对象进行分析,对任务进行分解;其次设计带电作业机器人更换熔断器的作业流程,对拆除故障熔断器和安装新熔断器作业流程进行全面设计;最后采用主从控制与自主控制两种控制方式,对软件控制逻辑和各子功能实现程序进行详细设计。

关键词： Stewart并联机器人   逆动力学模型   摩擦力参数辨识   外力估计   力柔顺控制   基于位置的阻抗控制  

摘要： 在中国制造2025和工业4.0的产业政策影响下,智能仓储和自动化物流近年来逐步兴起。可移动式的装配机器人工作空间大、柔性高,更符合现代工厂的应用需求。目前工业装配领域应用较多的都是串联关节式机器人,该类机器人承受负载能力小,仅可以应用于小型和轻型工件的组装。相比于串联机器人,并联机器人具有一些独特的优点,例如并联机器人可以承载较大重量的工件、位置控制精度高、在其末端的工件惯性小。本文以Stewart并联机器人为实验平台,设计了基于动力学前馈补偿的力柔顺控制和基于位置的阻抗控制策略,并完成了控制系统的仿真和实验。本文的主要研究内容为:首先,本文对Stewart并联六自由度平台进行了结构简化并建立了世界坐标系和动坐标系。简单介绍了Stewart平台逆运动学公式的推导过程,给出了平台6个支链的线速度、线加速度、角速度、角加速度的推导公式。本文还对Stewart并联机器人的动平台和6个支链的转动惯量进行了推导,为平台的逆动力学建模做准备。使用Newton-Euler法建立了Stewart平台的逆动力学理论计算模型,利用Matlab和Adams搭建了仿真模型,验证了逆动力学理论模型是正确的。其次,本文研究分析了以电机和滚珠丝杠为一体的伺服运动系统,建立了伺服运动系统的动力学方程。为了实现Stewart并联机器人基于动力学前馈补偿的力柔顺控制,伺服运动系统的摩擦力是不能被忽略的,所以本文建立了基于库仑—粘性的摩擦模型,并通过实验确定了摩擦模型中未知的参数。本文提出了基于动力学模型的外力估计方法,该方法可以让Stewart平台检测到外力作用并估计外力的大小。由于在力矩模式下,机器人的位置控制精度很难保证,所以本文又设计了Stewart平台基于位置的阻抗控制算法。最后,详细介绍了实验平台硬件控制系统的构成,给出了本文研究的Stewart平台的结构参数。利用C++编程语言在Vs2015+Qt5.8的编程环境下,编程设计了软件控制界面、上位机与硬件系统的通信函数以及控制算法函数。在此基础上,完成了Stewart平台基于动力学前馈补偿的力柔顺控制实验和基于位置的阻抗控制实验,对比分析了两种控制方法的实验效果,选择了柔顺控制响应速度快,控制精度更好的控制方法来完成平台的工件装配任务。

关键词： 人机协作   协作型机器人   安全性   柔顺控制   麦克斯韦模型  

摘要： 近年来,随着机器人技术的不断进步,人机协作逐渐成为下一代机器人的本质特征,也是满足工业生产、民生、特殊环境等机器人应用领域新需求的重要途径,具有重大的研究价值与现实意义。协作型机器人的工作环境中经常发生有意或无意的人机物理接触和人机碰撞,因而实现人机安全协作尤为重要。与传统刚性机器人产生过大的接触力相比,现有常规机器人柔顺控制方法可以将接触力控制在一定水平,从而提高了人机协作的安全性。然而,常规机器人柔顺控制的目标阻抗和导纳模型中的弹簧和阻尼为并联结构,即开尔文-沃伊特模型(Kelvin-Voigt model)的形式。因此,常规机器人柔顺控制方法在人机协作安全性这一方面,以及在涉及人机物理接触和人机碰撞这一类场景中,还存在一些局限性,如接触力不连续、产生弹性形变给人体接触部位持续施加回复作用力等。针对以上局限性,本文将机器人目标阻抗和导纳模型中弹簧和阻尼的组合方式改为麦克斯韦模型(Maxwell model)的串联形式,探索将其应用于协作机器人的柔顺控制,并提出一系列基于麦克斯韦模型的机器人柔顺控制方法加以改进。鉴于此,本文开展了以下研究工作。首先对当前人机协作安全机制与策略、机器人柔顺和柔顺控制技术的研究现状分别进行了综述,分析了常规机器人柔顺控制方法在人机协作安全性方面以及在涉及人机物理接触和人机碰撞这一类场景中的一些局限性,并详细阐述了研究思路,进而引出主要研究内容。随后,开展了理论分析和仿真研究,重点对比了开尔文模型与麦克斯韦模型这两种基本粘弹性模型在产生接触力和形变这两种特性上的区别,为后续开展多种机器人柔顺控制方法的研究与控制器设计奠定了理论基础和依据。研究结果表明,与开尔文模型相比,在同等条件下麦克斯韦模型可产生较小的接触力,并在受力后产生不完全恢复的塑性变形。之后,研究了基于麦克斯韦模型的机器人末端笛卡尔空间导纳控制方法,设计了基于麦克斯韦模型的机器人笛卡尔空间导纳控制器,并进行了仿真研究,仿真结果与理论研究结果相符。此外,研究结果还表明了与常规机器人末端笛卡尔空间导纳控制方法相比,该方法在相同条件下可产生较小的接触力,并且可以有效降低对人体接触部位的冲量、危险指数和损伤指数等人机协作安全指标,从而可以提高人机协作的安全性。随后,开展了实验研究,利用机器人的运动控制接口实现了机器人末端产生塑性变形这一新的柔顺行为。实验结果验证了该方法的有效性并表明了与常规机器人笛卡尔空间导纳控制方法的区别和新颖之处。在机器人接触动力学模型的基础上,研究了基于麦克斯韦模型的机器人末端笛卡尔空间阻抗控制方法,并与常规机器人末端笛卡尔空间阻抗控制方法进行了对比与分析。与机器人导纳控制不同的是,基于麦克斯韦模型的机器人阻抗控制则是从更加底层的力矩控制接口来控制机器人从而实现机器人末端塑性变形这一柔顺行为。之后,进行了仿真研究,研究结果表明了与常规机器人阻抗控制方法相比,基于麦克斯韦模型的机器人阻抗控制方法在相同条件下产生较小的接触力,并且可以有效降低对人体接触部位的冲量、危险指数和损伤指数等人机协作安全指标,从而可以提高人机协作的安全性。随后,开展了实验研究,实验结果验证了该方法的有效性并表明了与常规机器人末端笛卡尔空间阻抗控制方法的区别。除了对机器人末端柔顺控制进行研究以外,还考虑到多数人机协作场景中人与机器人本体可能发生人机物理接触与碰撞,提出了一种基于麦克斯韦模型的机器人零空间柔顺控制方法,并开展了仿真与实验研究,研究结果验证了方法的有效性并实现了机器人本体的柔顺行为。此外,还充分利用协作型机器人的冗余性,将基于麦克斯韦模型的机器人零空间柔顺控制方法作为一个子任务统一到多任务优先级的框架内,以满足协作型机器人往往同时执行多个任务的现实需要。实验研究结果验证了该方法的有效性和实用性。

关键词： 柔性关节   人工势场法   模拟退火法   阻抗控制  

摘要： 随着机器人技术的不断发展,目前对于机器人的研究已经不再局限于传统的工业场景中,如今都希望人能够参与到机器人的工作场景中协同进行复杂的作业。这使得机器人必须具备一定的柔顺性以及操作的灵巧性,从而尽可能的保证机器人在人机交互过程中的安全性和稳定性。有鉴于此,本文针对七自由度协作机械臂进行了避障技术以及柔顺控制的研究,主要研究内容如下:首先利用改进型D-H参数法对机械臂建立关节连杆模型并进行运动学分析,借助臂角的概念对机械臂的逆运动学进行求解,并且利用MATLAB机器人工具箱完成了理论验证。随后对机械臂的工作空间进行分析求解。最后利用拉格朗日法对由谐波减速器所引起的关节柔性进行柔性关节机械臂动力学建模,为接下来的理论研究奠定了基础。针对机械臂开始工作从起始位置到达目标点的过程中,保证机械臂能够避开人体保障人的安全。本文首先对人体和机械臂建立合适的包围盒模型,为后续路径规划过程中进行碰撞检测。然后借助人工势场法对机械臂的避障技术进行研究,针对人工势场法存在局部极小点的问题,利用模拟退火算法将其进行改进,最终能够使得机械臂成功到达所期望的目标位置。为了保证机械臂到达目标点后与外界进行接触作业时的柔顺性,考虑利用阻抗控制来实现。研究了柔性关节机械臂在笛卡尔空间下的阻抗控制策略,并对阻抗控制参数进行了适当讨论,探究了不同参数对系统的影响。最后,基于上述的研究内容,利用V-REP与MATLAB进行联合仿真实验,通过搭建相应的仿真实验场景,验证了理论的有效性。仿真实验结果表明,利用所研究的相应算法,能够使得机械臂在进行避障的过程中达到良好的效果,而且对于机械臂与外界接触时也能够表现出良好的柔顺性。

关键词： 空间仿人机器人   多自由度灵巧手   运动学建模与轨迹规划   柔顺控制   演示与验证系统  

摘要： 目前,我国空间站工程建设工作正如火如荼地开展,无论是当前空间站维护、开展空间实验、保障航天员与实验平台安全应用需求,还是为满足未来载人登月、深空探测等复杂任务需求,都有必要结合我国空间科技发展的实际情况,借鉴国内外先进的仿人机器人技术,完成空间仿人机器人可行性论证和预先研究工作。空间环境下的自主操作机器人系统试验成本高、风险大、周期长,因此利用地面验证系统可以极大地降低空间机器人的试验风险与成本,并大大地缩短研发周期。本文以空间仿人机器人为研究目标,首先对空间仿人机器人相关领域进行了国内外研究现状调研、应用需求分析,并以此为依据确定了总体设计方案与关键技术指标;其次完成了系统建模与仿真分析,以保证总体设计方案与关键技术指标的可行性;最后完成了关键部件的自主研发和地面测试系统搭建,实现了关键指标的测试和验证,验证了总体设计方案的正确性,以确保关键技术指标满足系统需求。针对空间仿人机器人7自由度机械臂与13自由度灵巧手,需要为其提供可靠的控制依据,为此,完成了空间仿人机器人机械臂运动学与灵巧手单指运动学建模;其次参照人手自适应抓取,完成了灵巧手往复式布线的拓扑结构设计,并完成了灵巧手驱动电机数量优化设计,且提出了自适应抓取策略。针对空间仿人机器人控制系统,首先完成了关节与灵巧手控制需求分析,并划分了机械臂关节与灵巧手控制器控制电机数;其次为实现空间仿人机器人关节一体化设计需求,选取DSP+FPGA为核心,创新性的加入了驱动力采集模块,完成了关节与灵巧手控制器硬件与软件设计,实现了伺服驱动、快速跟踪、柔顺控制等核心控制算法的高度集成。为完成空间站舱内设备操作,并保护设备安全,本文首先提出了机械臂柔顺控制要求,建立了关节坐标下动力学解耦模型,且以此为基础设计了机械臂力/位控制方法;其次完成了基于视觉的有/无障碍物的仿人机器人运动轨迹规划算法设计;最后搭建了空间仿人机器人演示验证系统,通过抓小球、按按钮、拨动开关等动作验证了机器人运动学建模、关节伺服驱动控制、运动轨迹规划、机械臂柔顺控制、手眼伺服协调控制等核心算法的正确性。

关键词： 空间机器人   捕获卫星操作   减撞柔顺控制   RBF神经网络   事件采样输出反馈  

摘要： 随着人类逐渐意识到太空真空资源、轨道资源、矿产资源等的重要性,各类如空间飞行、空间探测、空间开发等空间技术应运而生。同时,得益于空间技术的发展,空间机器人也被期望代替宇航员执行更复杂和更危险的太空任务;如空间站建设、失效部件替换、卫星维修、卫星燃料加注等;而空间机器人的捕获操作技术是实现上述太空任务的关键。考虑到空间机器人捕获高速旋转卫星时,其关节会受到很大的冲击力矩,若冲击力矩过大,将对最薄弱的关节处造成破坏。因此,在空间机器人捕获卫星过程,对其关节免受冲击力矩破坏的研究非常有意义。基于上述背景,本文考虑建立两种构型的空间机器人系统模型,并研究其捕获卫星过程的动力学及减撞柔顺控制。首先,利用第二类Lagrange方程法,分别得到了捕获操作前双臂空间机器人、含柔性机构双臂空间机器人系统的动力学方程。基于冲量定理、系统运动关系及牛顿第三定律,计算了空间机器人捕获卫星过程受到的冲击效应及冲击力,得到了捕获操作后混合体系统的综合系统动力学方程。其次,针对双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,考虑其速度信号受噪声影响无法准确测量及系统存在模型不确定、外部扰动等非线性不确定项,设计了基于速度重构、不确定估计的镇定控制方案。接着,针对含柔性机构双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,运用奇异摄动理论将其分解为快变子系统和慢变子系统。考虑其速度信号受噪声影响无法精确测量及系统存在非线性未知项,提出用RBF神经网络观测器重构空间机器人系统关节速度项及补偿空间机器人系统未知项;同时,考虑到星载计算机的计算能力有限,神经网络权值实时更新将降低控制系统的运行效率,提出用事件采样输出反馈控制来约束神经网络权值的更新。综合上述两点,设计了一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络减撞柔顺控制方案。为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后,应用Matlab仿真软件对捕获操作过程进行数值仿真,验证了所提减撞柔顺控制策略的正确性。

关键词： 护理机器人   控制系统设计   触觉感知   力超调   阻抗控制  

摘要： 人口老龄化日益严重,养老护理人员严重缺失,养老护理问题已成为我国亟待解决的社会性问题,护理机器人的研发大势所趋。目前,我国对于护理机器人的研究仍处于样机实验阶段,为了推动护理机器人的实用化进程,研发出控制精度高、安全稳定、柔顺性好双臂护理机器人,本文对双臂护理机器人的控制系统设计与柔顺控制策略进行了研究。基于差动式双臂护理机器人的构型特点,设计了基于雅可比矩阵的分解速率运动控制方案。利用速度雅可比矩阵的空间映射能力,在不需要求解逆运动学的情况下,将笛卡尔速度映射到关节速度,在关节空间中实现笛卡尔空间的轨迹跟踪。根据差动式双臂护理机器人的构型与任务需求,研发了一套具有触觉感知功能的双臂护理机器人控制系统。采用“PC+PMAC”控制结构完成控制系统硬件设计,使用Lab VIEW上位机+Pcomm Server+Power PMAC下位机的软件设计方案,结合Matlab强大的计算能力,实现了快速、精准的运动控制;利用六维力传感器和柔性触觉传感器进行触觉感知系统设计,使护理机器人具备触觉感知能力。针对机器人与外界环境接触瞬间力超调严重的问题,提出一种基于RBF自适应滑模位置控制的非线性比例-微分阻抗控制策略,分别设计了力跟踪外环和位置控制内环。以RBF神经网络自适应滑模控制为位置控制内环,利用RBF神经网络快速逼近系统的动力学模型和补偿系统中不确定性扰动,有效的抑制了抖振,提高了系统位置跟踪精度;以改进阻抗控制作为力跟踪控制外环,在原有阻抗模型的基础上,引入了非线性权重的接触力微分项,提高了阻抗模型对接触力变化的敏感性。进行ADAMS与Matlab/Simulink联合仿真实验,验证了本文所提策略具有更好的力响应速度和位置跟踪精度,可以有效的减小机器人与环境接触瞬间的接触力。最后,基于本文所设计的控制系统,进行位置跟踪实验,验证了控制系统设计与运动控制方案的正确性与可行性;进行基于六维力传感器的柔顺控制实验,验证了本文所提出柔顺控制算法的有效性与实用性,在机械臂与外界环境接触过程中,具有良好的柔顺性与稳定性;进行了基于柔性触觉传感器的柔顺控制实验,验证了本团队设计的柔性触觉传感器具有很好的实时性,能快速反馈接触力变化,使护理机器人具有良好柔顺性,可满足机器人实际应用需求。

关键词： 空间机械臂   点云配准   状态估计   图优化   轨迹规划   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 在空间非合作目标捕获任务中,由于机械臂处于自由漂浮状态,同时存在系统动力学耦合等特性,捕获接触产生的碰撞力会引起空间机器人及目标航天器的随动,甚至造成航天器的损坏。因此,为实现准确抓捕及减小机械臂末端与目标航天器的碰撞力,本课题针对抓捕过程中目标特征难识别、抓捕冲击难控制、运动控制难协同等问题,以微重力环境下机械臂和目标航天器的接触具有随动不确定性为研究背景,分别从目标状态估计、机械臂轨迹规划和末端柔顺控制三个阶段对抓捕阶段进行研究,建立了一套较完备的空间机械臂柔顺捕获策略。课题主要完成工作如下:首先,提出了一种基于点云协方差矩阵变换的相对姿态估计方法,无需点云特征识别和提取,可以为机械臂的轨迹规划和控制提供先验信息。该方法利用平面点云旋转特征不变性实现了点云配准;为解决连续配准后造成的累计误差,在关键帧利用迭代最近点算法进行姿态约束,并通过图优化对姿态进行了修正。在完成了目标点云帧间相对位姿估计后,设计了扩展卡尔曼滤波器对目标的位置、速度、角速度等参数进行持续估计。仿真结果表明,该方法在点云小角度变化的情况下,无需提取特征点即可得到较高的配准精度和状态估计精度。其次,提出了一种适用于自由漂浮状态下的非冗余机械臂碰前轨迹规划方法。该方法利用空间机械臂的动力学耦合特点和非完整冗余特性,在初始状态和最终抓捕状态之间增加了一种过渡状态,以保证末端抓捕位置和姿态的准确性;利用粒子群算法对过渡状态和参数化的关节角进行寻优求解,并最小化关节运动和碰撞脉冲造成的基座扰动。以空间六自由度机械臂为例进行的仿真结果表明,该方法可以实现非冗余机械臂的碰前最优轨迹规划。然后,提出了一种基于PD-阻抗组合控制算法的柔顺捕获策略,用于实现服务航天器与目标航天器之间的安全稳定接触。为吸收碰撞过程的能量,首先在机械臂末端设计了一个弹簧-阻尼系统,并利用拉格朗日方程推导了相应的动力学方程。为实现接触过程的柔顺性,提出了一种位置阻抗控制方法,该方法建立了稳态误差和碰撞接触力的关系;根据相对速度和碰撞方向推导了机械臂末端期望轨迹的一般方程。仿真结果表明,末端的接触平面可以在较短时间内对目标航天器进行减速和消旋,整个过程中的接触力、相对速度和相对角速度均逐步趋近于零。最后,设计并搭建了一套基于深度相机的机械臂抓捕实验平台,在此基础上完成了机械臂和相机的标定,验证了目标状态估计算法,实现了机械臂目标跟随控制功能,为后续柔顺捕获任务奠定了良好的基础。

关键词： 曲面抛光   STL模型   抛光轨迹   柔顺控制   刀具补偿  

摘要： 曲面零件广泛运用于航空航天、汽车、船舶以及模具等领域。曲面零件在铣削工序后一般需要经过抛光工序满足质量要求。目前,曲面零件的抛光以人工作业为主。机器人抛光可以解决人工抛光效率低、表面质量一致性差等弊端,国内外对机器人抛光的研究主要集中在曲面轨迹规划和抛光控制方面,但如何减小机器人的抛光误差,以及如何提高机器人抛光柔顺度等方面的研究比较欠缺。本文拟从离线刀轨数据插补算法、控制系统自适应补偿算法等方面展开研究,主要研究内容如下:(1)通过分析自由曲面抛光工艺、机器人抛光工艺以及现有机器人自动抛光系统架构,提出一种新型的曲面零件机器人自动抛光系统架构。该新型架构可以减小机器人运动误差,提高机器人上位机软件的控制精度。(2)针对点云数据拓扑性差的缺点,提出一种改进的共享顶点数据结构,提高STL模型抛光轨迹规划的计算效率;为了解决STL模型等距截面法所生成的刀轨误差较大、行距不均匀等问题,提高轨迹规划算法的计算精度,提出一种基于STL模型构造曲线的等残高刀轨生成算法。(3)提出一种基于刀具轮廓控制的曲面零件抛光自适应补偿算法,提高机器人抛光曲面零件的柔顺性。分析刀具的磨损特征及规律,建立球型或柱状抛光刀具的轮廓模型。通过接触实验,分析采用不同抛光刀具时系统的刚度;基于赫兹接触理论,探讨接触区域参数与期望力的关系,分析刀位点的精确位置与刀具补偿量的大小,提高机器人抛光的运动补偿精度。(4)创建曲面零件机器人抛光可视化仿真模型,验证规划轨迹的平稳性与干涉性。根据曲面零件机器人自动抛光系统新型架构,采用VC++6.0平台研制了机器人自动抛光控制软件。以汽车轮毂模具为实例进行了相应的抛光试验。本文通过探讨曲面零件的高精度柔顺控制策略,重点针对控制系统精度、路径插补误差和运动补偿精度三个方面展开了研究,提高了机器人抛光的控制精度;并通过试验验证了该自适应补偿方法的显著效果。