关键词： 阻抗模型   下肢康复机器人   交互控制   柔顺控制  

摘要： 为帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,设计了下肢康复机器人;对于该机器人的控制,采用传统系统无法柔顺控制,导致机器人运动轨迹偏离预设轨迹;针对该现象,提出了基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计;通过分析总体控制方案,设计系统硬件结构框图;采用L型二维力传感器,确定两个方向的人机交互力;使用绝对值编码器安装在各个关节处,其输出值作为髋关节、膝关节、踝关节电机的转动位置,增量编码器安装在电机轴上,测量值用来作为后期控制方法的输入参数;构建阻抗控制模型,能够调节机器人位置和速度,具有消除力误差功能;依据此力矩对参考运动轨迹进行设计,实时获取患者康复训练的跟踪、主动柔顺和接近状态信息;在柔顺训练实验测出人机交互力,通过实验结果知,在检测到人体主动力矩异常时,系统能够重新优化轨迹,具有良好柔顺控制效果。

关键词： 工业机器人   柔顺控制   力/位置混合控制   阻抗控制   PID控制  

摘要： 工业机器人在执行打磨、抛光和装配任务时,工作空间中末端执行器微小的位置偏差可能产生巨大接触力,进而对机器人及目标物造成损毁,接触作业中添加力控制功能可以很好地避免类似事件的发生,因此有必要对机器人的力位控制进行深入研究。首先,推导了工作空间的工业机器人动力学模型,进而分别设计了基于PID的两种主流力/位控制器——力/位置混合控制器和阻抗控制器,并证明了控制系统的稳定性。为了更好地研究两种控制系统的特性,首次基于同等机器人模型进行了比较系统的实验研究,研究结果表明在期望接触力为10 N的情况下,阻抗控制表现出更加优越的柔顺性,其在力与位置控制方面精度更高,易于实现。研究结果对于力/位置控制技术的工程应用具有一定的借鉴意义。

关键词： 机器人   六维力传感器   重力补偿   受力感知   导纳控制  

摘要： 基于力觉控制的机器人运动系统能够通过感知外界环境的接触力,实现机器人作业过程中对力和位置的双重控制。为了提高机器人对接触力的感知精度,实现准确的柔顺控制,提出一种基于力传感器重力补偿的机器人柔顺控制方法。首先,通过调整机器人末端姿态,采集机器人不同位姿下力传感器数据,计算机器人底座安装倾角、力传感器零点数据、末端工具重力及重心坐标等参数;然后,利用机器人姿态变换矩阵,实现对力传感器的重力补偿,为机器人柔顺控制提供准确的受力感知;最后,采用导纳控制,实现机器人对物体的抓取搬运。进行了力传感器重力补偿实验及机器人柔顺放置实验,结果表明,该方法能够提高机器人对外界环境感知的精准度,实现精准的机器人柔顺控制。

关键词： 柔顺机构   空间机器人   捕获航天器操作   无源性理论   避撞柔顺控制   神经网络鲁棒H∞控制  

摘要： 研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。

关键词： 人机交互   碰撞检测   意图识别   柔顺控制   运动控制   安全  

摘要： 人机共融作为未来生活、智能工厂等方面焦点问题,承载着新型工业体系构建以及衡量国家科技创新水平的重担。聚焦人机安全交互关键技术,围绕共融机器人结构设计、柔顺控制、环境感知、行为学习及决策等层面全面总结了当前研究进展,系统梳理了热点难点问题,归纳了现阶段人机安全交互实现方法,并对未来发展航向做出了展望。研究旨在通过抛砖引玉,加深共性关键技术理解,促进相关学科领域全面发展。

关键词： 磁流变液   机器人柔顺关节   PID   动态扭矩跟踪控制  

摘要： 为了使机器人关节具备主动变刚度特性,基于磁流变液的可控流变特性设计了一种新型机器人柔顺关节,并提出基于分数阶PID(PIλDμ)控制算法进行磁流变液柔顺关节的动态扭矩跟踪控制,采用频域设计方法,通过期望截止频率和相位裕量推导出理想Bode传递函数状态下的PIλDμ控制器设计参数,建立了基于PIλDμ的控制系统。设计了磁流变液柔顺关节实验平台,并且基于LabVIEW图形化编程语言开发了控制软件系统,分别进行了基于PIλDμ和整数阶PID动态扭矩跟踪控制实验,实验结果证明,PIλDμ控制算法对基于磁流变液设计的机器人柔顺关节具有较好的动态扭矩跟踪控制作用。

关键词： 踝关节康复机器人   主动康复训练   力跟踪   柔顺控制   气动肌肉  

摘要： 为保证踝关节康复机器人能为主动康复训练的患者准确提供任意性质的训练力,以气动肌肉冗余并联驱动踝关节康复机器人为对象,研究无误差力跟踪方法和主动训练柔顺控制策略。建立了踝关节康复机器人的动力学模型,基于阻抗控制理论研究了无误差力跟踪的轨迹规划方法,运用李亚谱诺夫稳定性理论提出了气动肌肉冗余并联驱动的柔顺控制策略,以助力和抗阻两种主动训练模式为例,进行了康复训练控制仿真,结果表明,所提出的力跟踪方法和柔顺控制策略不仅能确保主动训练的安全性,还能为训练提供任意而准确的助力和阻力。

关键词： 仿人机械臂   柔顺控制   轨迹规划   辅助康复训练策略   人机交互  

摘要： 近年来，工作、交通、疾病、老龄化等因素造成的上肢运动功能障碍患者人数不断上升，使得上肢辅助康复训练的需求不断增加。与传统通过康复治疗师辅助康复训练不同，上肢辅助康复训练机器人具有精度高、可重复性好等优点，得到了越来越广泛的应用。但是目前的上肢康复机器人存在人性化、智能化水平不足、人机交互能力弱、训练任务单一等缺点。而仿人机械臂是对人手臂的真实还原，理论上可以实现人手臂的大部分动作，此外由于增加了多种传感器，使得控制更加智能化，因此如何将其应用于辅助康复训练中具有非常重要的研究意义。\n 本文以一款7-DOF仿人机械臂为研究对象，面向上肢辅助康复训练场景，研究在交互式辅助康复训练过程中对机械臂进行运动轨迹跟踪时的柔顺控制方法，提出交互式辅助康复主动和被动训练策略，并基于此搭建人机交互辅助康复训练平台。主要研究内容如下：\n (1)辅助康复中机械臂运动路径及轨迹规划研究。使用机器人七自由度机械臂作为辅助康复，首先需要解决在交互辅助康复训练中机器人运动训练路径及工作范围问题，以保证交互辅助训练过程的安全，避免因超调对患者造成二次伤害。在机械臂运动学建模研究的基础上，通过研究人体上肢结构及运动范围，对机械臂的工作空间进行约束，同时针对上肢康复训练任务设计康复训练运动路径，提出一种约束关节空间内的轨迹规划算法，实现人机交互过程中的安全保证。\n (2)辅助康复中机械臂关节空间内的柔顺控制方法研究。由于不同患者的体质及对康复训练的需求不同，导致机械臂辅助训练的运动轨迹不同，为使得辅助训练过程更加自然、舒适，结合神经网络模糊推理理念，通过检测机械臂末端实时反馈力矩信息，对康复训练过程中的阻抗刚度、阻尼参数进行在线辨识，提出一种基于神经网络模糊推理的自适应阻抗柔顺控制方法，使得患者在康复训练过程中体验更加舒适，提升在辅助康复训练人机交互过程中机器人的柔顺性、舒适性和安全性。\n (3)机械臂交互式辅助康复策略研究。辅助康复训练中，人体上肢对机械臂末端执行器施加的力矩能够直观反映人体运动意图，基于该力矩信息的监测，实现对人体上肢运动意图的识别，并结合机械臂动力学模型，进行机械臂辅助康复训练任务。在此基础上设计交互式辅助康复训练平台，验证本文提出的辅助康复柔顺控制方法及康复训练策略的有效性和实用性，并提高人机交互辅助训练的人性化和个性化水平。

关键词： 柔性体磨抛   RS010N机器人   ABAQUS有限元分析   变形轨迹跟踪   控制系统  

摘要： 随着智能制造发展,工业机器人在制造业中的应用得到了迅猛的发展。产品研磨抛光是产品制造领域的重要环节之一,由于存在磨抛均匀性无法保证、用人成本高等问题。传统人工研磨抛光工艺技术的升级换代,促进机器人技术在该领域得到应用,大多数主要以刚性工件的研磨抛光作为主要作用对象,有些工业制品其属性并非刚性具有柔性特性,而直接采用以开发机器人刚性的研磨抛光技术不能很好满足工艺质量要求。因此开展柔性体研磨抛光特性研究和开发针对其特性的机器人研磨抛光技术的无力传感器控制器设计,不仅具有较高的理论指导意义且具有较大的现实意义。与刚性工件不同,柔性体在受力后会产生变形,其位置、姿态及磨抛力随着作用点不同而变化,如何对变形后的加工表面的位置、姿态及磨抛力进行轨迹跟踪是机器人对柔性体进行磨抛操作时机器人控制系统设计的难点。为此本研究选择传统牛皮研磨抛光工艺为研究对象,通过查阅相关文献和其自身属性,采用ABAQUS有限元分析软件构建虚拟实验平台,模拟提取了牛皮表面加工变形后的位置、姿态及磨抛力工艺参数,同时基于该系列参数,以6R机器人柔顺控制的原理和方法构建了一套控制系统技术方案,并在Matlab 2019b搭建了仿真虚拟平台,对变形轨迹跟踪、阻抗控制等关键技术展开深入研究模拟,为今后针对柔性体无力传感器机器人研磨抛光控制器硬件和软件设计提供技术支撑。主要内容如下:首先对机器人研磨抛光技术在国内外的研究现状进行了分析,并介绍了本文研究过程中的主要研究路线。接着,以川崎RS010N型机器人本体为研究对象,运用D-H法建立了运动学模型并推导了运动学逆解。同时,采用牛顿欧拉法对机器人动力学进行分析,并在Matlab2019b软件中完成了机器人运动学及动力学模型搭建和模型验证。之后,对控制系统的位姿轨迹输入进行了研究。由于在对柔性体磨抛的过程中会存在柔性受力变形导致磨抛工具头无法正确跟踪轨迹的问题,因此利用ABAQUS有限元分析软件构建虚拟实验平台,模拟提取了牛皮表面加工变形后的位置、姿态及磨抛力工艺参数,通过变形轨迹参数和采用伏雷内标架规划了变形后的位置和姿态轨迹共同作为控制系统的轨迹输入。然后,进行了机器人磨抛过程中的力、位置控制系统设计。采用分解加速度控制为机器人位置策略和阻抗控制为力控制策略,在Simulink集成环境中完成了控制系统搭建及仿真验证。其后,对机器人关节电机控制系统及无力矩传感技术进行了研究。以直流电机为研究对象、模糊PID控制为机器人关节电机控制器开发算法,搭建了机器人单关节电机控制系统。机器人力控制的实现关键是对末端力反馈的采集,在研究过程中本文采用无力矩传感技术实现对机器人末端工具受力的采集以降低机器人柔性体磨抛任务的实现成本。最后,列举了全文的研究成果和创新之处,也指出了研究过程中存在的不足并提出了对未来的展望。

关键词： 力/位置混合控制   卡尔曼滤波   Matlab-Adams联合仿真   六维传感器  

摘要： 随着全球经济的发展,机器人产业成为新一轮工业革命的重点。机械臂装配成为先进制造系统的重要环节。当前机械臂在焊接、搬运、喷涂等相关工业生产领域被广泛地应用,在进行精确的位置和力控制时,需要柔顺控制来实现。本文针对装配任务中如何选取柔顺策略问题进行具体分析,并对主动柔顺中力/位置混合控制技术进行研究,设计了末端夹持器,简化装配任务。首先,建立七自由度机械臂模型。针对实验室自主研发的七自由度机械臂,用D-H法和Newton-Euler法分别进行运动学和动力学建模,基于Matlab和Robotic Toolbox软件对这种机械臂模型进行仿真分析。然后,选取主动柔顺控制策略,力/位混合控制。对比分析阻抗控制与力/位混合控制优缺点,明确了本文的研究目标。对不同类型力/位置混合控制方法的优缺点进行对比分析。基于逆动力学模型进行力矩分析,然后根据所得结果设计了前馈控制器、反馈控制器等;对卡尔曼滤波器消除噪音的性能进行分析,并据此建立了基于卡尔曼滤波状态观测器的力/位置混合控制器,提高控制精度。对机械臂的接触情况进行分析,提出一种传感器模型,将噪声特征参数引入其中,对这种模型的性能进行仿真分析。最后,分别使用Matlab单独仿真、Matlab-Adams联合仿真,对七自由度机械臂进行力/位混合控制算法验证。仿真结果验证了力/位置混合控制算法的有效性和可行性。为了简化控制系统,优化控制效率,设计了三指爪末端执行器,并对其PID控制系统进行Matlab-Adams联合仿真实验,实现设计目标。