关键词： 手部协作   软体执行器   链式约束梁模型   有限元分析   模糊控制  

摘要： 传统的脑卒中患者手部康复设备普遍采用被动训练方法,难以调动患者自主康复训练的积极性,康复效果不佳。目前,手部康复设备多为刚性外骨骼结构,这种刚性设备结构复杂,穿戴困难,成本高昂,使用时需要专业护理人员协助,难以广泛应用。软体气动执行器具有柔顺性强、结构简单、制造成本低、无污染等优点,可代替刚性结构应用于手部康复设备。本文在分析国内外关于手部康复设备和软体气动执行器的基础上,以实现协助手部抓取物体为目标,提出了一种手部协作柔顺机构。本文首先对手部协作柔顺机构进行了结构设计,对机构主体部分的柔顺气动手指采用三关节楔形气腔设计,第一关节负责反向弯曲,第二和第三关节负责正向弯曲,以模拟人体手指抓取动作。在底层加入弹簧钢片,以改善软体执行器刚度不足的问题。基于有限元仿真分析对气腔间距参数进行了优化,探究了气腔间距结构对弯曲性能的影响。同时,分析了柔顺气动手指关节弯曲动作的原理,给出了弯曲角度与气腔压强之间的关系。根据柔顺气动手指的抓取动作特点,将其动作过程分为第一阶段的纯弯曲运动和第二阶段的受力弯曲运动。基于Euler-Bernoulli梁变形理论和链式约束梁模型,分别对两个阶段的变形展开静力学和运动学分析,建立理论模型,给出了柔顺气动手指位形变化与受力状态之间的关系。该模型采用无量纲参数表示,具有较强的适用性。在理论分析的基础上,给出了利用有限元仿真分析探究柔顺气动手指力学特性的方法,并对理论模型的准确性进行了仿真验证。对柔顺气动手指进行包括控制系统、信息采集系统和气压执行系统在内的整体系统设计,并对抓取策略进行分析。在理论模型研究基础上,针对抓取过程中两个阶段的特点,设计了模糊-PI双模控制器和参数自调节模糊-PID控制器分别对柔顺气动手指末端高度和末端力进行闭环控制。同时,对柔顺气动手指的单关节独立驱动能力进行了测试,并对理论模型的准确性进行了验证测试。最后,佩戴柔顺气动手指对目标物进行抓取测试,验证了柔顺气动手指的协助抓取能力。

关键词： 柔性关节   串联弹性驱动器   动力学模型   控制方法   联合仿真  

摘要： 考虑到工业上常用的机械臂特性,目前机械臂不仅需要自身拥有精密的轨迹运动,还需要在此基础上实现更多的接触式任务。机械臂的末端不仅需要按照指定的轨迹运动,还需要让机械臂末端对目标物体实现柔顺抓捕。结合现有条件与工业需求,引进了串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,简称SEA)作为机械臂柔性关节的一部分,可以更好地使得机械臂与环境发生交互作用。本文也将设计一种SEA并且基于这种SEA设计机械臂柔性关节的结构,并对柔性关节进行以下分析工作:设计了一种波纹状弹性元件为关节提供柔性,利用优化分析设计的方法,在考虑加工难度的前提下最终设计出波纹状弹性元件。通过与另外两种SEA进行对比,得出了选择波纹状SEA的优点。由于波纹SEA自身良好的刚度特性,将SEA引入到机械臂的关节内部,并且在Spong简易关节模型的基础上做优化,考虑SEA的阻尼的影响并且引入电气阻尼,这使得柔性关节的动力学模型得到了优化,分析不同的SEA参数会对柔性关节系统产生不同的影响,通过调试选取刚度和阻尼值。之后简化柔性关节的模型,利用ADAMS软件建立柔性关节的虚拟样机,设定好虚拟样机的参数后与Simulink联合起来仿真,采用PID控制器对其进行了力矩控制以及位置控制的仿真与分析。基于PID控制,在其基础上考虑到与环境的接触与交互,引入了阻抗控制器,模拟了在有外界环境干扰下,柔性关节末端位置的输出控制,并且分析各个阻抗参数的变化对关节输出轴位置及接触力的变化的影响。考虑到环境不是一成不变,在闭环PID控制以及阻抗控制的基础上,引入了模糊控制器,之后分别对柔性关节系统进行模糊化、模糊推理、清晰化的处理,仿真分析在加入了模糊控制后柔性关节系统输出的变化,证明通过模糊控制对提高柔性关节输出效果非常有帮助。搭建柔性关节的实验平台,加工三种厚度不同的波纹状弹性元件,分别对三种刚度不同的波纹状弹性元件进行刚度标定实验,与前文弹性元件力学性能分析进行对比,之后分析误差来源。将三种刚度不同的弹性元件分别引入到关节内部,为关节提供柔顺性能,利用柔性关节实验平台进行柔性关节输出轴末端的位置跟随实验,验证所设计的波纹状弹性元件可以实现在本文的设计指标下较为理想的位置控制。之后验证三种刚度不同的弹性元件以及末端负载不同的情况下对输出位置的影响与前文的仿真分析一致。

关键词： 步行康复训练机器人   多通道近距离传感器   LSTM   柔顺控制   二维模糊系统  

摘要： 面对人口老龄化的快速发展趋势及运动功能障碍患者数量的急剧增长,仅依靠医疗训练师进行运动康复训练,已经无法满足对助老助残医疗服务的供应需求。因此,步行康复训练机器人及其相关技术应运而生。在步行康复训练机器人的研究中,步行康复训练机器人柔顺化控制技术对用户在人机交互中的舒适性尤为重要。因此,本文从步行康复训练机器人柔顺化控制角度出发,展开以下几方面工作:首先,介绍了一款本实验室自主研发的步行康复训练机器人及其机械结构与交互方式,建立了步行康复训练机器人的运动学模型。结合该机器人机械结构特征,设计了一种易于集成的、非接触式的多通道近距离激光传感器以采集步行康复训练过程中人机交互相对距离。其次,针对人机交互过程中双腿与机器人相对动态距离计算问题,分别采用卡尔曼滤波、自回归滑动平均模型、长短期记忆网络(Long Short-term Memory Network,LSTM)模型和改进LSTM模型四种时间序列模型求解双腿交互距离。基于这四种模型对不同种类的步态数据进行仿真实验,结合绝对误差分布、性能评价指标对比分析了四种模型在不同种类步态预测效果的优劣程度。结果表明本文提出的改进LSTM模型能够有效提高预测精度,而且面向不同种类的步态具有良好的泛化能力,因此适用于计算下一时刻的腿部交互距离。再次,基于距离-速度转换算法将计算所得的距离信息转换成用户意图速度,分别建立了基于步行康复训练机器人运动学模型的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器和PID控制器,对用户匀速和变速行走时的意图速度进行仿真对比,结果表明PID控制器具有较好的控制性能。针对用户突然变速引起机器人抖动问题,采用样本插值法对输入数据进行平滑处理。通过实验证明本文提出的柔顺化控制方法具有可行性与有效性。最后,针对步态相对改进LSTM模型的预测性能进行分析,通过压力传感器实时获取足底压力数据,利用改进LSTM模型对人行走过程中的步态相进行划分,验证了改进LSTM模型对步态相同样具有可行性。提出结合主客观评价的二维模糊系统方法评估本文提出方法的安全性与舒适性,证明了本文提出方法能够实现机器人的柔顺化控制,同时增强了人机交互过程中的体验。

关键词： 踝关节康复机器人   表面肌电信号   柔顺控制   异常检测  

摘要： 踝关节康复机器人及其控制方法的研究对于改进踝关节康复患者的康复训练方式，改善患者的训练效果具有重要意义。当前，针对踝关节康复患者的康复方式主要分为两种，一种是从医学康复的角度，通过康复医师对患者踝关节的患病机理进行病理诊断，后期通过康复护士、康复治疗按摩师等医学工作者进行定期的康复按摩和辅助肌肉锻炼，同时患者自身采用良姿位或抗痉挛体位进行踝关节的活动锻炼，长期坚持锻炼不断挖掘对运动恢复的潜力，达到重塑运动能力的目的。另一种是通过康复机器人代替康复医师完成对患者的康复训练任务，由于在康复训练过程中患者肌肉无法独立完成踝关节动作，由此在康复机器人中引入皮肤表面肌电信号，将患者患侧肌电信号解析出的动作意图信息作为康复机器人的控制信号，在康复机器人的辅助下完成肌肉力训练动作。实现基于表面肌电信号的康复机器人控制通常需要解决两个方面的问题:(1)表面肌电信号信息解析问题。将患者肌电信号中解析出的运动意图作为康复机器人的控制指令，肌电信号的解析准确程度将很大程度影响我们对康复机器人的控制效果。(2)康复机器人的柔顺控制问题。康复机器人需要与人体直接接触，设计主动柔顺控制方法实现更加安全舒适的人机交互。　　本文针对基于表面生物电信号的踝关节康复机器人柔顺控制系统展开研究，主要包含以下四个部分:　　(1)针对康复患者踝关节运动估计问题，首先根据患者的肌电特征信息估计出踝关节的运动类型，然后构建Hammerstein运动模型，将与患者踝关节运动相关肌肉产生的皮肤表面肌电信号作为模型输入，踝关节的实际运动角度作为运动模型的输出，采用改进的最小二乘法辨识Hammerstein运动模型参数，实现对踝关节运动的实时估计。　　(2)针对踝关节康复机器人的柔顺控制问题，设计双闭环控制系统，控制系统外环根据患者的关节力矩信息在线实时更新阻抗模型参数，实现自适应阻抗控制。控制系统内环基于数据驱动模型根据控制系统的输入与输出信号设计自校正PID控制实现精准的位置控制。　　(3)针对患者的康复评估问题，为了提升康复训练机器人的智能化程度，设计出一套基于康复功能评估的闭环康复训练策略。踝关节功能性障碍患者行走过程中表现为踝关节落地不稳，与正常人相比足底压力异常，基于这个特点提出一种检测多个足底压力点的异常检测方法，使用异常数据检测算法判断患者的运动障碍程度和踝关节功能恢复水平，根据康复功能评估结果分阶段周期性修改康复机器人的助力策略。　　（4）针对以上三个部分展开系统实验，对踝关节康复机器人采用本文的肌电识别、柔顺控制、康复评估方法在临床康复训练上的稳定性和有效性进行检验。

关键词： 装配机器人   柔顺控制   基于位置的阻抗控制   阻抗参数   混合粒子群算法  

摘要： 随着现代工业地不断发展,工业机器人的应用场景也越来越丰富,这意味着机器人技术面临着越来越多的要求和挑战。装配机器人是应用于装配生产线上,对零部件进行装配的工业机器人。相比用于喷漆机器人、移动机器人等,装配机器人往往需要控制与环境的接触力以完成装配任务。而目前应用最多的位置控制型机器人通常不能控制与环境间的接触力,因此对于柔顺控制的研究与应用是装配机器人技术发展中亟待解决的问题之一。本文针对一种新型弹簧自锁螺母的装配任务设计了专用的装配机器人,围绕其机械结构设计和柔顺控制算法开发两方面进行了深入研究。(1)详细分析了弹簧自锁螺母装配任务的目标,细化了装配任务。并从机器人的自由度需求、工作空间需求、夹持任务需求以及控制算法需求四个方面,详细说明了装配系统的功能需求。为后续装配系统的机械结构设计和控制算法设计指明了方向。(2)针对装配系统的自由度需求设计了运动学构型为PRP型的装配机器人。针对装配系统的工作空间需求和夹持任务需求,对关节驱动器、传感器等关键零部件进行了选型,对末端执行器、连接件等非标零件进行了结构设计。针对刚体与刚体接触瞬间力突变的问题,优化了末端执行器结构,将装配时的接触对象由“末端执行器-螺母”变为“弹簧-螺母”,将环境刚度由105N/mm降低为7N/mm,实现了所设计机器人的被动柔顺性。然后完成了装配机器人的三维设计和实物的加工搭建,并利用D-H法建立了运动学模型。最终通过对装配机器人的负载能力、运动学模型和工作空间计算分析,验证了其结构设计在弹簧自锁螺母装配任务中的可行性。(3)针对装配系统的控制算法需求,利用力/位混合控制算法进行约束分析,确定了各关节步进电机的控制方式。然后针对各步进电机,分别设计了控制算法。对于第一关节和第二关节的步进电机,利用各自对应的传感器的反馈值,基于增量式PID控制设计了位置控制算法。对于第三关节的步进电机,利用压力传感器反馈末端与环境之间的接触力,然后将基于位置的阻抗控制模型离散化,设计了力控制算法,实现了所设计机器人的主动柔顺性。并求出了末端位移量的解析解,为第五章阻抗参数的优化提供了理论依据。最后利用Simulink建立了基于位置的阻抗控制的仿真模型,通过仿真结果总结出了阻抗参数对控制系统的影响规律。并与直接力反馈控制和PI控制的仿真结果进行了对比分析,结果表明了在本文的装配系统模型中,基于位置的阻抗控制拥有更好的控制效果。(4)针对人工整定阻抗参数时存在的费时且效果较差的问题,提出了基于混合粒子群算法的阻抗参数优化方法。首先将装配机器人的三维模型简化,导入Adams中。并通过和Simulink的联合仿真,建立了装配机器人的末端执行器与螺母的接触模型。然后设计了以力超调量和调节时间为优化目标的适应度函数,利用混合粒子群算法整定了基于位置的阻抗控制器的阻尼系数bd和刚度系数kd。仿真结果表明,优化后的基于位置的阻抗控制器不仅能使末端执行器在与环境接触时产生较小的力超调量和稳态误差,还能快速的到达稳定状态。且与人工整定的阻抗参数相比,经过优化后的阻抗参数能达到更好的控制效果。

关键词： 手术机器人   力反馈   重力偏置滤除   柔顺控制  

摘要： 光学导航系统与手术机器人结合出现的术前影像规划、术中实时导航、靶区的精准定位等信息医疗技术可有效提高穿刺手术成功率、缩短手术时间。但目前的穿刺机器人反馈信息少、自动化程度不高,实际工作中仍需要医生很大程度的参与才能完成一场手术,且过程中仍存在操作臂抖动、穿刺过程中出现穿刺针形变等问题,不能避免呼吸运动等因素引起的靶区移动带来的影响。为使穿刺手术机器人达到更高的自动化水平,应对多种复杂穿刺环境,本文在前期光学定位机器人控制技术的研究基础上进一步研究了机器人力反馈相关技术。本文针对穿刺针在实际不同穿刺场景中的受力情况,设计了包含软、硬件的力反馈控制系统,研究了与系统相适应的夹具自重滤除算法和导纳控制算法,来适应、解决实际穿刺术中穿刺针受力异常问题,实现对穿刺针的零力跟随控制。具体研究内容如下:(1)机械臂光力控制平台的设计为实现具有手眼仿真程度的高自动化水平的手术穿刺机器人系统,本文在前期视觉伺服控制机械臂的研究基础上加入了力觉伺服控制,此技术方向所包含的研究内容有:机械臂末端穿刺针执持器的机械结构设计,用以完成对穿刺针的持握固定与穿刺引导;末端执持器的控制电路,用以完成穿刺针力信号采集与通讯和控制进针模组运动;上位机软件,用以协调机械臂与末端执持器的通讯、控制和部署相关算法。后经验证,此平台软硬件模块方案均可正常工作。(2)传感器负载重力偏置滤除执持器末端的的力传感器所挂载的夹具、穿刺针等重物会对穿刺针的应力数据采集产生严重影响,因此需重点考虑传感器所负载夹具的自重对接触力的干扰。此处首先采用机械臂的正逆运动学对机械臂末端任意姿态时传感器坐标系下的重力加速度的表示做解析,然后对实际自重质量参数做精确辨识,在比较了各种不同算法的优劣后,采用了最小二乘法并构造目标函数来对夹具的质量做参数辨识,最终结果,在穿刺针不受任何接触力的情况下,机械臂在任意姿态下传感器各方向平均读数可保持在0.08N以下。(3)零力跟随控制算法研究自重偏置滤除后,传感器可以采集到较为真实的针与组织间的接触力。由于所选用的机械臂位置控制功能完善,可直接在机械臂末端的笛卡尔坐标系空间进行运动规划,于是可在机械臂的末端笛卡尔坐标系进行导纳控制模型建模,将机械臂末端等效为空间阻尼系统构建基于位置控制的微分方程,将偏置滤除后的传感器所采集的接触力信号作为系统的输入,采用微分方程的数值法求解每一时刻的机械臂的零力补偿位姿。最终结果,机械臂可根据穿刺针的接触力补偿出新的位姿,并实时运动至新位姿,跟踪运动过程中实验对象与穿刺针的相互作用力小于1N,满足不切割伤害周围组织器官的条件,证实了此方案的有效性。本文较为完善的构建了力反馈控制系统,包括机械结构、控制电路、上下位机控制软件以及重力偏置算法与柔顺控制算法,为后续光力融合控制开发与活体动物实验奠定了良好基础。

关键词： 下肢外骨骼   阻抗控制   力矩反馈控制   模糊控制   RBF神经网络  

摘要： 下肢康复外骨骼是一种用于运动障碍患者进行康复训练的医疗设备,主要由机械结构本体和控制系统组成。本研究以下肢康复外骨骼为研究对象,以提供柔顺安全的康复训练为研究目标,综合考虑下肢康复外骨骼机械结构和人体下肢生理构造,构建人机耦合动力学模型,建立人机协同的智能控制策略,从而实现人体穿戴下肢康复外骨骼进行主动柔顺康复训练。本研究的主要内容包括:1.首先对下肢康复外骨骼的机械结构和电气组成进行系统描述,基于弹簧模型构建下肢外骨骼人机耦合模型,结合Lagrange法推导出人机耦合模型的动力学方程,并在Adams软件上进行运动仿真,验证了人机耦合模型的正确性,为后续控制系统的搭建提供准确的被控对象模型。2.由于人体和下肢外骨骼之间的交互力实时变化,本研究充分利用阻抗控制可以实现动态调节人机交互力与运动位置的优势,提出了基于阻抗控制的下肢外骨骼力矩反馈控制方法,实现对人机交互力的动态自适应调节,提高人机系统的柔顺性。为了验证控制系统的有效性,搭建下肢外骨骼单关节模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数和刚度参数对阻抗控制性能的影响,获得一组良好人机耦合性的最优阻抗参数,并作为后续智能控制算法实时调参的基础参数。3.针对基于阻抗控制的下肢外骨骼力矩反馈控制存在跟踪精度低和调节时间长的问题,提出了基于RBF-模糊变阻抗的下肢外骨骼力矩反馈控制方法,利用模糊控制对阻抗参数进行自适应调整,利用RBF神经网络对控制系统模型中的不确定项进行补偿。通过构建下肢外骨骼单关节模型仿真试验,验证了模糊控制和RBF神经网络降低跟踪误差和缩短调节时间的有效性。最后利用李雅普诺夫方程验证了控制系统的稳定性。4.为了验证本研究所提出的基于RBF-模糊变阻抗的下肢外骨骼力矩反馈控制方法能够实现对人机耦合模型的柔顺控制,搭建了Adams和Matlab/Simulink的联合仿真平台,与下肢外骨骼力矩反馈控制和基于阻抗控制的下肢外骨骼力矩反馈控制进行对比分析,仿真结果表明系统的跟踪性能和人机运动的一致性得到明显改善。

关键词： 柔性平台   柔顺机构   应力刚化   位移测量   状态观测器  

摘要： 随着纳米技术等新兴科技的跨越式发展,以扫描探针显微镜、微/纳增材制造系统等为代表的超精密科学仪器装备在半导体工程、微机电系统、光电通讯、生物医学、精密制造等领域得到了日益广泛的应用,并展现出了巨大的科学价值、经济价值和社会价值。而实现超高运动精度的柔性微/纳米操作系统逐渐成为上述领域中的关键共性技术和相关高科技产业及交叉学科范围内的研究热点。与此同时为了满足日益多样化和复杂化的技术需求,需要开发具有更大运动范围(毫米级)和更高精度的微/纳米操控系统。针对上述挑战,本文以大行程柔性并联平面微动平台为研究对象,首先在柔顺板簧构件弹性变形与边界约束耦合机理基础上,深入研究柔顺机构(导向机构)的精确建模方法,建立准确描述机构应力刚化效应的力学模型,进一步提出柔性微动平台的构型设计并进行相关性能测试分析。然后进行了基于激光干涉仪的平面位移测量方法的改进,有效抑制了寄生旋转运动和轴间载荷耦合效应带来的测量误差,为实现微动平台多轴协同并联平面运动控制过程中的位移测量提供基础。最后探索面向纳米平面运动的控制算法,有效补偿了柔性微动平台运动过程中的轴间耦合应力刚化问题,实现了高精度的平面运动控制。主要研究内容如下:首先,在Euler-Bernoulli梁理论基础上,从以单一柔顺板簧为代表的柔性构件出发,考虑轴向/横向/弯矩载荷和各方向的变形关系,得到了描述弹性构件应力刚化效应的运动静力学显式表达式。并进一步考虑了柔顺板簧构件承受的边界条件,得到了平行四杆导向机构的位移-载荷模型。以具有对称边界约束条件的复合平行四杆导向机构为例进行了热/刚度耦合分析,得到了在不同热载荷条件下可以准确描述机构变形过程中的变刚度行为的误差解析模型。考虑了双平行四杆导向机构中间刚体带来的复杂结构和边界约束,进行了该类结构的运动静力学建模。其次,针对可实现毫米级行程的高精度平面运动柔性微动平台的构型设计,提出了运动学解耦的4-PRP并联平台构型。并在完成平台实验系统搭建的基础上,分别对柔性平台的正反向输入-输出特性、工作范围、阶跃响应和谐响应等进行了实验测试,并分析了柔性平台在匀速/非匀速条件下的迟滞现象、轴间耦合率以及固有频率等特性。再次,在柔顺板簧构件/机构的理论基础上结合柔性平台的构型特点,对提出的柔性平台进行了力学建模与分析工作。根据平台的结构和功能划分,分别对柔性支撑和导向机构进行静力学建模,并利用刚度矩阵组合方法得到平台整体静力学模型。然后基于动力刚度矩阵、柔性体振动分析和模态分析理论分别对柔性平台的基本结构单元进行了动力学分析,最后通过动力刚度矩阵组装的方法得到柔性平台整体的动力学模型,为后文的控制算法研究提供模型基础。然后,面向柔性微动平台大范围(毫米级)平面动态运动过程中存在运动位移测量误差的问题,将光学直角棱镜光路反射与激光光束光程差干涉原理相结合,进行了激光反射光路的改进,实现了微动平台直线运动位移与转角位移的分离,保证了平面大范围运动过程中平台位移的准确测量。最后,考虑到柔性微动平台在进行多轴协同平面运动控制过程中由于轴间耦合应力刚化带来的变刚度问题,设计了基于Kalman型观测器结构并含有指数遗忘因子的离散自适应扩张状态观测器(AESO),同时结合协同控制理论(SCT)和观测器结构来实现微/纳尺度下的多轴运动控制,并完成了 AESO的收敛条件和闭环系统鲁棒稳定性的理论证明。在柔性平台实验系统上分别对提出的控制算法与现有方法(如PID、ADRC和H∞)进行了对比性实验,结果显示该算法具有显著的优越性。