关键词： 仿壁虎机器人   高精度实时力感知模块   黏附机制   柔触控制   柔顺控制  

摘要： 随着我国空间站建造与运营工作的深入,空间站的维护巡检任务将更加繁重和繁重,基于干黏附技术的仿壁虎机器人可附着于太空舱表面并代替人类完成巡检等作业。在此情况下,机器人与太空舱表面的稳定黏附具有特别重要的意义,一旦未能稳定黏附,将可能成为空间垃圾,危及航天器的安全。考虑到仿生黏附机器人作业环境的复杂性,需实时检测机器人足端的作用力,为仿生机器人的控制提供输入约束。自然界中壁虎能够实现复杂环境下的稳定黏附运动,这种能力源自于壁虎对运动反力的精确感知及对运动行为的实时调控。受壁虎足端力调控行为的启示,设计了具有足端实时三维力感知特性的仿壁虎机器人,并提出了与力反馈机制相匹配的力控制策略以实现机器人黏附攀爬过程中的稳定黏附与柔顺脱附,具体研究内容如下:1)为得到机器人脚掌与壁面间的黏脱附力学状态的信息,解决无效黏附和脱附冲击等工程应用中的难题,研制了小型化、传感/结构支撑一体化的足端力智能感知模块的设计需求;采用“马其他十字”与“双悬臂梁”结合的组合式结构设计方法实现了低耦合、高强度的传感器结构设计;采用分布式的硬件设计方案实现了模块化、小型化的信号处理需求;基于实时操作系统设计交互式采集/传输系统实现了高实时和高传输率软件目标。2)由于黏附机制尚未揭示,通过模型难以得到机器人在黏脱附过程中的运动反力。为探究机器人在黏脱附过程中的足端受力情况,本文结合3DForsor搭建了具有低质心、柔性关节和分布式控制系统特性的IBSS-Ⅱ-2机器人平台,依次通过机器人模型建立、足端轨迹规划及步态设计对机器人整机运动稳定性能进行调试,分析足端三维力数据及实验现象,初步得到造成机器人跌落的影响因素。3)结合仿生黏附材料特性与生物黏脱附力学,分析了黏附预压力与机器人运动稳定性之间的关系,得到了优化的黏附预压力F*。基于壁虎的柔性脚掌模型,设计了可调控机器人黏附预压力的仿生柔触控制算法以实现机器人足端的稳定黏附;基于壁虎的关节/肌肉模型,设计了可调控机器人关节刚度的柔顺控制算法以实现机器人足端的柔顺脱附。通过实验评价了仿生柔触控制算法和柔顺控制算法对于提升机器人运动稳定性能有显著效果,为实现面向黏附攀爬作业领域的机器人的稳定黏附与柔顺脱附打下研究基础。

关键词： 协作机器人   外力感知   柔顺控制   阻抗控制   协作控制   动态行为控制   认知控制  

摘要： 协作机器人指的是一种能够在共享工作空间中实现物理人–机器人交互并执行协作任务的机器人系统。协作机器人正逐渐融入人类社会,与人类、其他机器人或非结构化环境等进行密切和复杂的交互。机器人–环境物理交互过程,外力感知和交互控制对于保证其安全性并提高其交互性能具有非常重要的意义。分别从外力感知、协作控制以及认知控制3个方面对协作机器人的研究现状进行综述,并对协作机器人感知与控制领域的研究进行展望。

关键词： 微纳聚合体卫星   多体系统   变构规划   柔顺控制   地面物理仿真  

摘要： 微纳聚合体卫星是由多个立方体微纳模块通过磁力连接机构吸附、聚集而成的航天器,各模块可在磁铰链的约束下运动从而实现在轨构型重构。该类航天器由于在轨变构的能力可用于空间大型天线阵列展开、变换等领域,具有较高研究价值。作为一种新型航天器,其有较多关键技术问题有待解决,为研究这些关键技术问题,本论文主要完成了如下工作:建立了微纳聚合体卫星的动力学模型,通过动力学仿真研究了对称式变构下卫星本体姿态的变化,以及变构过程中铰链内力的变化。上述两部分的研究分别为后文对称式变构规划算法的研究以及柔顺变构控制研究提供了理论依据。研究了微纳聚合体卫星的对称式变构规划算法。在A*算法的基础上,考虑模块运动约束,在估价函数中引入最优分配度量与重合性度量,设计了多模块并行运动的变构规划算法。将对称式变构判定引入变构规划算法中,提高对称式变构步数比例,以减小变构对本体姿态的影响。最后通过不同算例验证了变构规划算法的有效性。研究了微纳聚合体卫星的柔顺变构控制算法。设计了变构过程的模糊控制律。为减小变构时的铰链内力,改进原模糊控制算法,设计了模糊控制器量化因子的模糊调节器。最后对未改进与改进后的控制器控制效果进行对比仿真分析,验证了改进后控制方法的有效性。最后,利用三自由度平面气浮台系统,设计并搭建了一套演示变构过程的验证平台,对微纳聚合体卫星水平柔顺变构进行了仿真验证,验证了算法的有效性;还对悬吊式失重模拟装置功能以及微纳模块实验样机的控制功能进行了验证,为后续无重力条件下的垂直翻转控制奠定基础。

关键词： 协作型机器人   柔顺控制   参数辨识   动力学模型  

摘要： 目前，协作型机器人正处于快速发展阶段，在人机协作场景中，机器人具备与环境柔顺接触的能力十分必要。柔顺控制是解决机器人与环境接触问题的重要方法，而协作型机器人复杂的运动特性以及人机协作场景的不确定性给控制器的设计带来了极大挑战，本文针对协作型机器人的柔顺控制方法展开研究，主要研究内容如下:　　首先针对协作型机器人的动力学建模与模型参数辨识方法展开研究。建立了刚、柔耦合动力学模型。为获得精确的模型参数，本文针对协作型机器人复杂的动态特性，从以下方面展开刚、柔耦合动力学模型参数辨识方法的研究:针对柔性关节参数的辨识问题，提出了基于关节谐振与抗谐振频率特征的频域辨识方法，该方法有针对性地利用柔性关节的谐振与抗谐振的频率与幅值信息建立参数计算模型，减少了测量噪声与误差对辨识结果的影响;针对由机器人连杆组成的刚体动力学参数辨识问题，提出了基于静、动态激励的分步辨识方法，改善统一辨识时多关节耦合干扰问题和逐一辨识时误差逐级传递问题。　　柔性关节内部具有复杂的动态特性，影响整体控制性能以及鲁棒性，针对该问题，本文提出一种高、低频混合力矩控制方法作为底层控制方法，其主要作用是消除柔性关节内部动态特性对系统的影响，如柔性抖振，非线性摩擦力以及负载变化引起的模型摄动等。该方法以扰动观测器的基本结构为基础，通过Q滤波器将闭环系统的频率特性分离，并分别针对不同频段的频率响应特性设计控制器:在低频段，系统的动态特性接近名义模型，因此，以柔性关节的名义模型作为被控对象，设计控制器并将闭环系统构造为标准的二阶系统，将低频控制器的设计问题被转变为标准二阶系统的设计问题;在系统的高频段，测量噪声、模型摄动以及摩擦力扰动对系统鲁棒性具有较大影响，针对该问题，提出了基于混合灵敏度求解方法设计高频控制器。最后本文推导了该方法的全局稳定性条件。　　进一步针对冗余机器人在笛卡尔空间的阻抗控制问题展开研究。研究分两部分进行，第一部分为机器人末端在笛卡尔空间阻抗控制问题的研究，第二部分为机器人冗余自由度阻抗控制问题的研究。第一部分根据目标阻抗关系推导了笛卡尔空间阻抗控制律，控制律的状态变量中含有欧拉角，针对欧拉角在连续运动中的突变问题，本文将欧拉角的解划分为两种状态，并设计状态转换条件使欧拉角的解在连续运动中始终保持连续，从而增强了阻抗控制的鲁棒性。第二部分针对机器人冗余自由度的阻抗控制问题展开研究，研究对象限定为具有S-R-S构型的7自由度机器人，首先根据S-R-S构型的空间几何特征对冗余自由度的位置与接触力进行参数化处理，并针对冗余自由度的柔顺控制问题设计了冗余阻抗控制方法，实现冗余自由度位置与力的统一控制。进一步，在该冗余阻抗控制方法的基础上提出了运动优化方法，该方法的主要优势是降低了搜索空间的维度，简化了运算。　　最后，本文对上述方法进行了综合实验研究。搭建了7自由度协作型机器人原理样机实验平台以及单关节实验平台，实验结果验证了所提方法的可行性以及有效性。

关键词： 协作机器人   柔顺控制   阻抗控制   轴孔装配  

摘要： 随着机器人应用领域的多样化,需要机器人与人或者环境交互的场景越来越多。在这类场景下,完全基于位置控制的传统工业机器人因为刚性和惯量都非常大,难以将输出力和功率限制在安全范围内,所以不能满足周围人员与环境对安全性的需求,而机器人的柔顺控制可以极大地提高机器人的安全性和灵活性。针对这一问题,本文搭建了协作机器人平台,研究了协作机器人的柔顺控制方法,最后结合装配这一应用场景进行了协作机器人主动柔顺控制方法的应用实验,验证了该技术体系的可行性和应用价值。首先研究了协作机器人的设计方法,主要包括协作机器人结构设计和传感器设计,搭建了六自由度协作机器人实验平台,为柔顺控制研究和装配实验提供基础。其次,建立机器人的运动学模型和柔性关节动力学模型。基于机器人运动过程中的能量变化,提出针对具有柔性关节的高自由度协作机器人的改进动力学参数辨识方法。在协作机器人实验平台上完成了动力学参数辨识实验,为主动柔顺控制的动力学补偿提供了动力学参数。接着,对协作机器人的主动柔顺控制方法进行了研究,主要研究了基于力反馈的阻抗控制方法。结合实验平台的计算能力对笛卡尔空间阻抗控制方法进行了简化与改良,并且在实验平台上完成了阻抗控制方法的验证。最后,设计了高精度轴孔装配实验平台,并基于笛卡尔空间阻抗控制方法完成了机器人自动装配实验,实验结果验证了协作机器人柔顺控制技术体系的可应用性。

关键词： 柔顺放大机构   运动向刚度分析   能量效率   压电控制   微夹持器  

摘要： 随着精密设备应用的拓展,柔顺放大压电驱动系统因其结构简单、构型多样、易于控制等优点逐渐受到学者重视。提高放大倍数是增大柔顺放大压电驱动系统行程的主要方式。但是由于柔性铰链的轴漂运动,柔顺放大机构存在放大倍数极限问题;多级放大机构虽然可以提高放大倍数,但难以兼顾结构尺寸臃肿的矛盾。为了解决这一问题,本文开展了基于柔顺放大机构的大行程压电驱动系统的设计与控制技术研究。从运动向刚度出发,深入探讨柔顺放大机构运动向刚度与放大倍数和能量效率关系等问题,研究大行程高效率的行程放大压电驱动系统设计及其控制方法,将行程放大压电驱动系统有效行程提高到毫米级范围。论文首先将桥式放大机构和杠杆放大机构分别简化为串联柔性链和并联柔性链。利用柔度矩阵描述柔性铰链的弹性变形,通过D-H法推导柔性链关键点的力位计算公式,获得柔性链运动学和静力学通用模型。动力学方面,利用拉格朗日法建立放大机构动力学方程,并计算结构固有频率。利用通用模型,比较二级桥式机构和二级杠杆机构的运动性能和负载特性,分析柔性铰链切口形状和结构参数对放大倍数的影响。从柔性铰链运动方式出发,针对柔性铰链运动方向存在刚度的特点,探究运动向刚度对柔顺放大机构工作性能的影响。提出以混合铰链、混合材料及参数优化为手段,以运动向刚度分析为核心,以运动性能和动力学性能优化为目标的柔顺放大机构运动向刚度设计方法。利用该方法,分析了二级柔顺放大机构的运动向刚度,得到放大倍数和刚度比之间的内在关系。在此基础上,利用混合铰链改进了经典的二级桥式放大机构,将其相对放大倍率提高到0.9以上。考虑到平面放大机构的结构紧凑性,提出了桥式-杠杆二级放大机构,通过有限元仿真和样机实验证明了其在放大倍数和结构紧凑上的优越性。从系统刚度分析出发,分析了运动向刚度与能量效率的关系,探讨了通过刚度配置提高能量效率的可行性,提出了基于负刚度机构的高效柔顺放大机构概念,并设计出了能量效率高达80%的行程放大压电驱动器。为了进一步挖掘二级放大机构的运动性能,以运动向刚度分析为基础,对二级桥式机构进行多目标优化设计,综合协调放大倍数、固有频率、负载能力和刚度比等性能指标,实现90的放大倍数、5mm运动行程、50Hz一阶频率和50N(20N/mm)负载能力。为了保持放大机构纳米级定位分辨率,引入宏微驱动概念,用次级陶瓷补偿放大效应带来的压电陶瓷分辨率损失。考虑到宏微系统的多输入单输出特点,采用“宏开微闭”控制策略,利用高斯过程回归实现压电迟滞非线性的补偿,利用输入整形技术实现柔性铰链的残余振动抑制,采用双前馈+PID混合控制方法实现纳米级定位分辨率和长期稳定性。利用上述柔顺放大机构的设计和控制方法研制了一款新型微夹持器。为了解决微夹持器小结构、大行程的矛盾,将运动向刚度分析法引入压电驱动式微夹持器的结构设计中,通过铰链个性化设计提高了传统二级微夹持器的放大倍数;利用刚度设计实现夹爪被动柔顺功能,降低位置控制分辨率要求;采用平行四边形机构实现夹爪平行夹持;为了实现夹爪开环位置控制,使用基于高斯过程回归和输入整形技术的双前馈控制技术;为了获得精确的恒力控制,采用前馈补偿控制+PID的混合控制;为了增强夹持瞬间的柔顺效果,采用力位切换的控制策略。通过微夹持器的夹持实验,证明了所设计的微夹持器在结构尺寸、运动性能和夹持操作上具有优势。

关键词： 机器人打磨   柔顺控制   柔顺装置   曲面拟合   接触力控制  

摘要： 柔顺控制是指机器人根据力传感器的反馈信号作出相应调节,精确控制接触力变化的过程。一般来说,工业机器人满足传统的位置控制要求,而基于位置控制的工业机器人难以满足复杂曲面打磨接触力控制的要求。所以,针对机器人打磨柔顺控制方法的研究具有重要的应用意义。本文以机器人曲面打磨柔顺控制方法为对象,针对曲面打磨作业的现状和不足,开展对柔顺控制技术方案、曲面打磨的拟合方法、柔顺装置的数学建模,以及打磨接触力控制等问题的研究,为满足机器人打磨作业提供理论依据。本文所作工作和主要研究内容如下。(1)柔顺打磨控制方案研究。本文针对传统位置控制难以满足打磨接触力控制的不足,详细分析了力/位混合控制、阻抗控制两种典型方案的特点,提出了力-位分离打磨柔顺控制方案。在六自由度机器人的基础上,利用其扩展轴,构成七轴打磨作业控制系统,同时保持六自由度机器人的位置控制模式不变,利用第七轴控制打磨接触力,控制对象为比例阀,控制参数为比例阀的工作电流。同时在柔顺控制技术方案的基础上,分析气动驱动打磨接触力控制原理及特点,为后文柔顺装置的设计打下基础。(2)曲面打磨的拟合方法研究。本文针对机器人曲面打磨的路径问题,详细介绍几种典型曲面的拟合方法及特点,提出5次多项式函数插值算法。该方法能够较好的实现机器人曲面打磨路径的拟合,机器人打磨路径平稳光滑,满足打磨过程的稳定性和连续性。(3)曲面打磨柔顺装置的设计及理论建模。为满足打磨作业时法向接触力的控制要求,以及柔顺控制精度,本文设计合理的柔顺打磨装置。针对气动柔顺装置主要元件建模分析,得出传递函数,近似作为整个控制系统的数学模型。利用相位裕度与幅值裕度判定系统的稳定性,为下文保证接触力恒定控制打下基础。(4)曲面打磨接触力恒定控制算法研究。本文针对非线性系统难以精确控制的不足之处,提出传统PID控制、模糊PID控制以及滑模控制等三种控制算法。详细分析三种控制原理与特点,以及打磨接触力的恒定控制的方案。利用MATLAB软件,针对三种控制算法开展仿真分析研究,对比分析不同控制算法的打磨接触力控制效果。本文针对打磨作业中的关键问题,对打磨柔顺控制的技术方案做出深入研究。本文的创新之处是在工业机器人控制打磨接触力不足的基础上提出力-位分离的柔顺控制方案,保持机器人位置控制模式不变,利用机器人扩展的第七轴控制打磨接触力,满足曲面打磨接触力控制精度的要求。

关键词： 航空制造工艺   复杂曲面构件   磨抛技术   机器人   路径规划   离线编程   柔顺控制  

摘要： 本课题针对航空制造中复杂曲面构件的机器人磨抛技术展开研究。在飞机制造过程中，存在大量复杂曲面的加工处理，而磨抛是复杂曲面构件制造过程中重要但比较薄弱的环节。目前航空制造过程中普遍是人工磨抛，技术工人靠自己的经验进行磨抛，无法保证加工产品质量的稳定性;并且磨抛的劳动强度大，环境差，对工人健康产生危害，实现磨抛自动化是非常必要的。本课题针对机器人磨抛技术开展了机器人磨抛路径规划算法、机器人磨抛离线编程技术及机器入主动柔顺控制理论三个方面研究，主要研究工作概要如下:　　(1)实现了一种基于STL（STereoLithography）文件的复杂曲面机器人磨抛路径规划算法。根据STL格式文件获得三角网格的工件模型，构建半边结构对三角网格进行拓扑重建，使用活性表算法提取磨抛面。采用等间距截面法生成了期望的均匀磨抛路径;同时，提出了等轮廓距离的路径规划算法，以解决部分曲面过磨或欠磨的问题。通过法向磨抛的特点计算磨抛路径点的位姿。　　(2)设计开发了一种复杂曲面机器人磨抛离线编程软件。在QT Creator集成开发环境下进行离线编程软件设计，使用GUI(Graphical User Interface)设计库QT实现软件界面的设计，使用OpenGL(Open Graphics Library)来进行三维模型的显示。机器人离线编程软件集成文件模块、工艺选择模块、路径规划模块、机器人离线程序生成以及机器人正逆运动学模块，通过算法生成机器人磨抛的路径点。　　(3)研究了机器人磨抛的主动柔顺控制理论方法。分析了力信息获取的方式，研究重力补偿算法对磨抛工具进行补偿。研究了阻抗控制和力/位混合控制的主动柔顺控制方法，设计了一种机器人磨抛柔顺控制系统通讯方式，提供了一种机器人磨抛柔顺控制策略。

关键词： 下肢康复外骨骼   结构设计   控制系统   运动学动力学建模   柔顺控制  

摘要： 下肢康复外骨骼机器人是一种可穿戴式机械动力装置,可帮助下肢运动功能障碍患者进行康复训练和助力行走,从而缓解紧张的医疗资源和提高患者生存质量。现有的下肢康复外骨骼大多采用跟踪预设步态的被动控制策略,这种控制策略使下肢外骨骼呈现高刚度,当人机运动不协调时会对人体下肢造成牵扯甚至伤害。为降低下肢外骨骼呈现的刚度,论文搭建了下肢康复外骨骼并对柔顺控制策略展开了研究,主要内容如下:首先对人体下肢运动机理展开了研究。通过对下肢生理结构的分析明确了各运动关节的自由度组成及各自运动范围,对直立行走过程进行了步态相位划分,设计了基于姿态传感器的步态关节轨迹采集系统并对直立行走过程的髋膝关节轨迹进行了采集与分析。搭建了下肢康复外骨骼机器人系统。结合人机工程学和拟人化设计理念,设计了下肢外骨骼本体结构,其中将髋关节和膝关节配置成以电机-谐波减速器组合作为动力单元的主动关节,将踝关节配置成弹簧-阻尼被动柔顺关节。对实现运动控制所需的电机驱动系统、主控制板、传感器及采集板进行了设计。为减少系统布线,提高控制系统的稳定性和下肢外骨骼的美观度,设计了基于CAN总线的分布式控制系统。建立了下肢康复外骨骼运动学及动力学模型。基于DH规则建立了外骨骼各连杆附加坐标系,推导了前向运动学模型,得到了足底末端位姿和关节角度之间的转换关系。在前向运动学的基础上推导了下肢外骨骼雅可比矩阵,实现将外骨骼连杆处受到的人机交互力转换为关节扭矩。使用拉格朗日法分别建立了外骨骼单腿支撑相和双腿支撑相的动力学模型,为柔顺控制策略的实现奠定了理论基础。在上述工作的基础上展开下肢康复外骨骼柔顺控制策略的研究。论文在大小腿人机连接处安装了交互力传感器,引入了弹簧-质量-阻尼模型,设计了导纳柔顺控制器根据交互力的值修正预设步态轨迹,针对底层控制设计了基于动态力补偿的关节角度控制器实现关节对修正轨迹的跟踪。经实验表明,载人条件下髋关节平均绝对跟踪误差为0.69°,膝关节平均绝对跟踪误差为0.67°,引入的导纳柔顺控制器使大腿连接处的人机交互力平滑度增加48.6%,小腿处的人机交互力平滑度增加27.7%,提高了人机连接处的柔顺性。

关键词： 柔顺机构   欠驱动机构   夹持器   阻抗控制   自适应  

摘要： 抓取是一种典型的机器人末端操作形式,在分拣装配、农业采摘、灾难救援、微纳操作等领域具有广泛应用,如何对多规格、不确定的操作对象实现稳定、安全的抓取操作是机器人技术中的关键难题之一。夹持器主要用于目标物体的夹持、搬运、放置,是机器人抓取操作执行机构的主要实现形式。从机构学的角度,驱动单元数少于自由度数量的欠驱动机构具有良好的形状自适应性;而柔顺机构具有免装配、无摩擦磨损、高精度等优点,已成为精密工程、仿生机器人等领域末端执行机构的主要实现形式。从控制的角度,通过合理设计主动控制算法,可以进一步提高机器人抓取机构在非结构环境中的交互安全性与操作可靠性。本文正是在该背景下,对自适应柔顺欠驱动夹持器的设计与控制进行研究:(1)通过将刚性欠驱动夹持器与柔顺机构、柔性材料相结合,设计了一种新型的多模式柔顺欠驱动夹持器,提升机器人抓取操作末端执行机构的自适应性与通用性。该夹持器具有两种夹持模式,分别为两点夹持与包络夹持。基于伪刚体模型法,对不同的工作模式进行了静力学分析,以建立了输出夹持力与输入载荷之间的解析关系,对于包络夹持模式,通过设计了一种算法以确定静平衡位置。进而,基于梯度下降法,构造结构参数的多目标优化模型,以最大化多模式夹持力。通过动态仿真软件与有限元分析分别对两夹持模式、夹持力的建模、以及优化算法的有效性进行仿真验证。(2)设计了一种具有自动切换跟踪模式能力的自适应阻抗控制算法,用于控制所设计的新型柔顺欠驱动夹持器,以实现针对不确定的抓取对象自适应调节多模式操作下的力位参数。通过利用所设计的力传感系统,同时实现夹持力检测与感知夹持力模式,为控制策略提供反馈信号。通过推导柔顺夹持器的运动学模型,以建立夹持进给量与目标电机转子位置的关系。基于递归最小二乘法与线性二次调节器,设计出了一种基于最优控制的阻抗控制算法,该算法能够根据评估获得的物体刚度,自适应分配轨迹跟踪与夹持力跟踪的权重。然后,设计出了相应的夹持控制策略及对其进行鲁棒设计,并进行了仿真验证。(3)对所设计的新型柔顺欠驱动夹持器及优化自适应阻抗控制算法进行实验验证。对于机构设计方面,通过设计相应的夹持器样机与搭建了力测量平台,验证夹持力建模与优化算法的有效性,并通过执行各种抓取实验进一步的验证了夹持器各种工作模式的有效性、夹持的稳定性与具有保护易损物体的能力。对于夹持器控制方面,通过搭建了夹持控制实验系统,并开展多种的夹持控制实验,以验证了控制算法的优点与在两夹持模式下进行自适应夹持的有效性。