关键词： 多模态传感器   灵巧手   连续位置估计   柔顺控制   观测器  

摘要： 随着机器人行业的发展,人机交互问题也成为了热门研究问题。当机器人末端受到外力的作用时,机器人如何顺应这一外力并且不伤害到人以及不损坏自身成为了研究的重要问题。本文研究内容来源于实验室的科研课题合同,旨在利用灵巧手指尖末端传感器信号的多模态进行柔顺控制,从而完成更多复杂、智能的任务。本文首先对灵巧手指尖传感器和柔顺控制技术的研究现状进行综述,针对目前存在的研究问题确定本文传感器的选择以及柔顺控制技术的研究方向。设计机械接口和电气接口将触觉传感器与灵巧手集成,并进行触觉传感器的通信控制系统设计、数据采集和处理。通过实验测试触觉传感器性能,并进行笛卡儿空间作用力的标定。基于触觉传感器进行指尖末端接触位置的连续估计,使得末端接触位置姿态更加精确;基于集成的触觉传感器进行灵巧手单手指运动学和力学建模,为后续柔顺控制提供数学模型基础。基于指尖末端接触位置和姿态以及所受笛卡儿空间作用力进行柔顺控制的研究。在进行物体抓取过程中,改进基于连杆力矩传感器空间的动力学模型,采用基于关节空间位置的柔顺控制既有很高的位置跟踪性能又能防止接触过程中碰撞和冲击,设计基于触觉传感器信息的力控制器进行接触后的力控制,在抓取过程中防止抓握力过大损坏物体,同时避免抓握力过小产生滑动,使抓握过程具有稳定性。设计控制方式转换观测器,让转换过程更加自然。最后基于触觉传感器振动信号进行滑动检测和滚动识别,确定最终的连续位置接触的操作策略,使用此操作策略进行灵巧手单指接触实验,实验表明此柔顺控制能够稳定地进行物体的抓握,不会导致滑动产生,保证了抓取过程物体的完整性。

关键词： 柔顺控制   PID控制   气动   工业机器人  

摘要： 工业机器人是面向先进制造领域的智能化机械装置,也是衡量国家制造能力的重要标尺。随着自动化水平的不断提升,机器人的应用领域也日益广泛。在磨抛、切削这类接触式作业中,由于机器人自身存在定位误差,工件的刚度和形状难以准确描述,环境噪声影响,加工时的接触力可能会较大范围地波动,进而影响加工质量,这就要求机器人具有一定精度的力感知和力控制能力。本文针对机器人接触式作业的柔顺控制需求,设计出了一套安装在机器人与工件之间的气动力控装置;并针对该系统的非线性和滞后性,提出了一种改进式PID控制方法。首先,根据应用场景下的具体要求,分析该装置的工作原理,提出了一种基于力传感器的气动伺服控制方案:通过力传感器测得实时接触力信息,控制器将实时力与设定力进行比较并输出控制量至比例减压阀,通过调节减压阀的输出气压来调节输出力,同时由电磁换向阀来改变气缸的运动方向,因此装置能够始终保持与工件的接触并实现稳定的力控制。结合该方案,进行了硬件选型与结构设计。其次,对被控对象的系统模型进行了理论推导与分析,并针对系统的非线性和滞后性提出了一种BPNN-SP-PID(Back Propagation Neural Network-Smith PredictorPID)控制器:一部分是用来优化系统动态性能的BPNN-PID(Back Propagation Neural Network-PID)控制器,将BP神经网络与传统PID结合赋予其自整定能力;另一部分是用来补偿滞后环节的Smith预估器,并将BP神经网络与预估器结合提高其预测精度。最后,分别进行了基于MATLAB/Simulink的仿真和实验平台的实际验证,对比传统PID、BPNN-PID和BPNN-SP-PID三种控制器在该系统中的应用效果。仿真和实际实验的结果验证了这种改进式PID控制器具有可行性与优越性,能够显著优化系统的快速响应能力和鲁棒性。同时也证明了这套力控装置具有较好的柔顺性,能有效提高工业机器人的力控制精度。

关键词： 磨抛机器人   末端执行器   力位混合控制   自适应阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 磨抛是制造过程中的一项重要加工工艺,磨抛的质量影响产品的生产制造品质。由于传统人工磨抛加工效率低及容易造成人身伤害,在自动化制造过程使用机器人实现磨抛成为行业需求。为保证机器人磨抛的质量和效率,磨抛机器人系统需要发展力控技术。本文研究和实现了磨抛机器人系统。在明确加工对象基础上,进行了磨抛机器人系统总体设计。在此基础上,进行了力控末端执行器的设计和磨抛机器人系统上宏微运动控制策略设计,用实验室自主搭建的磨抛机器人平台验证了算法的有效性,实现了在磨抛过程中保持接触力恒定的同时可以进行未知工件表面毫米级形貌估计的功能。考虑到磨抛过程中机器人和环境接触,进行了机器人末端执行器与工件间的接触力分析。通过对末端执行器中传感器数据进行分析,实现磨抛机器人系统参数和环境参数的标定。通过引入末端执行器和工业机器人的加速度,在机器人系统参数标定过程中增加了惯性量的动态补偿,使得传感器获得更为准确的测量结果。讨论了宏微机器人主动柔顺运动过程,提出一种磨抛机器人宏微力位混合控制方法。对于工业机器人和末端执行器协同运动,确定了机器人宏微运动控制模型,引入打磨方案,设计机器人宏微力位混合控制方法。结合磨抛机器人系统方案、自适应阻抗模型和力位混合控制模型,建立了冲击控制和柔顺控制策略,并且进行了仿真和实验。构建了磨抛机器人控制系统。在磨抛机器人总体方案基础上进行硬件选型和软件系统开发。通过将提出的宏微力位混合控制策略和磨抛机器人硬件系统相结合,实现在现有机器人平台上的磨抛功能开发。实验结果验证宏微力位混合控制方法有效。磨抛过程中运动曲线吻合工件表面形貌,且接触力稳定维持在10±3N。磨抛机器人可以实现较为精确的位置跟踪和力跟踪,为磨抛机器人实现复杂曲面加工提供参考依据。

关键词： 筒类舱段   位姿调整   轨迹规划   阻抗控制   模型参考自适应  

摘要： 随着制造业领域的数字化发展,国外筒类舱段自动化对接技术广泛应用于飞机、火箭与导弹等对接领域。但国内相关生产仍以传统的人工操作方式为主,存在对接过程复杂,舱段间接触力过大等缺点。针对上述问题,本文设计了一套筒类舱段对接机构并对其轨迹规划与主动柔顺控制进行了深入研究。本文首先分析对接机构的机械结构,根据对接机构的构型建立合适的坐标系,基于建立的坐标系对对接机构进行运动学分析,并利用牛顿欧拉法建立了对接机构的动力学模型。根据筒类舱段的对接需求搭建了筒类舱段对接机构控制系统。其次,为确保舱段位姿调整过程的平稳性,针对对接机构分别采用三次多项式插值与五次多项式插值算法进行轨迹规划,明确了采用三次多项式导致起始与终止处加速度突变的不足。并利用二分法优化了舱段调姿时间,对舱段进行轨迹规划仿真,结果表明所提轨迹规划算法能有效地提高对接机构运行的稳定性,符合舱段对接平稳、无冲击的要求。最后,为满足舱段的柔顺对接,采用阻抗控制法,对筒类舱段对接机构控制系统进行研究。建立了阻抗控制系统,总结了阻抗控制参数对阻抗控制器性能的影响,并给出环境变化下阻抗控制系统的特性。为提高阻抗控制系统应对环境干扰能力,在传统阻抗控制的基础上,结合模型参考自适应控制方法设计了一种自适应阻抗控制。通过上述分析与研究表明,MRAC自适应阻抗控制相比传统阻抗与模糊自适应阻抗控制而言能够有效地提高控制系统的鲁棒性与稳定性。所提对接策略能够有效地调节舱段在对接过程中的接触力,所设计的筒类舱段对接机构控制系统能实现筒类舱段的自动化柔顺对接,满足筒类舱段的实际对接需求。

关键词： 轴孔装配   主动柔顺   力控制   模糊控制   视觉定位  

摘要： 装配是工业生产中的一个重要环节,工业机器人广泛应用于自动装配领域,而轴孔装配是其中一种典型的装配任务。本文针对轴孔装配任务,为避免卡阻发生,提出了基于视觉和力反馈的主动柔顺装配方法,该方法根据视觉和力信息进行寻孔,根据力反馈完成插孔装配。本文首先对寻孔策略和插孔策略进行了理论分析。设计了视觉定位系统中的图像识别算法,并进行了孔识别的实验,此外还介绍了机械臂的手眼标定原理并进行了标定实验,最终实现了孔的初步定位。基于视觉定位的基础讨论了通过力精确寻孔的搜索算法,设计了搜索轨迹。对插孔过程中的力接触状态进行建模,针对不同的状态提出调整策略,并且基于调整策略设计了模糊控制器,通过模糊算法实现轴孔装配主动柔顺控制。其次设计了装配系统的总体结构,装配系统主要由视觉系统、力传感器系统和执行机构组成。并根据任务目标对子系统进行设计和硬件选型,以工业相机和六维力传感器作为传感器件,以六自由度机器人作为执行机构,完成了实验平台的搭建。设计了装配系统的软件平台,实现数据采集与处理、硬件通讯、人机交互等功能。最后基于搭建的实验系统上进行了轴孔装配的实验。经过实验验证了装配系统能够顺利的完成装配任务,证明了所设计的轴孔装配系统的有效性。并且对装配过程中采集的力数据进行分析,结果验证了调整策略是有效的,证明了设计的柔顺算法可以使接触力保持在较小的范围内,避免了对零件和机器人的损坏。

关键词： 串联式机械臂   柔顺性控制   运动学分析   前馈PID  

摘要： 基于传统串联式机械臂末端采用位置伺服控制,纯位置控制无法满足末端与外界环境柔性接触,尤其是串联式焊接机器人末端接触力一旦过大,容易造成末端受损,就这一问题提出了一种位置内环阻抗外环的柔顺性控制方法。首先,建立串联式机械臂D-H坐标法则,对机械臂进行运动学分析;其次,设计了串联式机械臂柔顺性控制算法,内环采用前馈PID位置控制算法,外环采用常规定阻抗算法;最后,结合实际串联式机械臂平台进行末端接触力柔顺控制实验。实验结果验证了该位置内环阻抗外环的柔顺性控制方法的有效性,能够很好地解决串联式机械臂末端接触力过大问题。

关键词： 捕获操作   弹簧阻尼装置   柔顺策略   冲击效应   强化学习  

摘要： 为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程;基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程,且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算;针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案;通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。

关键词： 水利建设   平仓振捣机   特高拱坝   智能振捣   智慧大坝   柔顺控制   智能机器人  

摘要： 为了应对新时期特高拱坝智能化建设所带来的机遇和挑战,提高大型水工建筑混凝土浇筑工序的自动化、智能化、精细化及柔顺化水平,助力于构建面向未来的智能振捣及施工质量智能管控体系,综述了混凝土平仓振捣机的国内外研究背景和技术现状,对现有振捣设备及工艺在大坝浇筑施工中面临的困境进行了深入分析。结果表明:尽管混凝土平仓振捣机在水电建设行业的应用已相当成熟,但国内外对于其新技术和新工艺的研究却进展缓慢,现有平仓振捣机在功能和性能上已经难以满足大型水工建筑的施工需求,因此研究大规模混凝土的先进振捣技术和施工工艺具有重要的现实意义。混凝土平仓振捣机的智能化发展趋势,符合未来水利水电行业的总体发展要求,有利于建造出真正安全且造福国计民生的"无缝大坝",也为其他工程设备及液压机器人的智能化发展提供了重要借鉴。

关键词： 磁铰链   微纳聚合体卫星   构型重构   柔顺控制   模糊控制  

摘要： 为使磁铰链约束下的微纳聚合体卫星克服磁铰链阻力矩的阻碍作用成功实现变构,并防止变构过程中磁铰链的脱附,减小模块再拼接时的碰撞冲击,设计了一种用于微纳聚合体卫星的柔顺变构控制方法.首先利用第2类拉格朗日方程建立了磁铰链约束下的多刚体系统的动力学模型,设计了微纳聚合体卫星变构的模糊控制律;然后根据柔顺控制的要求设计了一种量化因子K e与K c的模糊调节器,引入到原模糊控制器中以改进控制方法.此控制方法具有不依赖系统动力学模型、仅需对参与变构的模块施加控制的优点.为量化评估变构过程的柔顺程度,设计了两个柔顺程度评估参数;最后通过仿真与气浮台物理试验对控制方法进行了验证,对比了固定量化因子与量化因子在线调节两种控制方法下变构过程的柔顺程度.数学仿真与气浮台的物理试验结果表明,改进后的模糊控制相比于固定量化因子的模糊控制,可使变构过程中模块相对运动角速度变化更加平缓,模块再拼接时相对角速度更小,达到了柔顺变构的目标.