关键词： 机器人   力控制   显式力控制   阻抗控制   力跟踪阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 随着机器人技术的发展,要求机器人能够完成更加复杂的任务,如工业机器人的打磨、精密装配、人机协作等,因此机器人与环境交互的能力起着越来越重要的作用。但当前的柔顺控制方法存在局限性,无法像人类一样,时刻对外界环境的作用力具有很强的适应能力(阻抗性能),并且能够随时对外界环境施加所需要的力(力的跟踪性能)。为了解决该问题,提出一种新的力跟踪刚度控制方法,能够让机器人同时具有阻抗性能和力的跟踪性能。该控制系统结构简单,实用性较强。控制系统的建立是基于位置控制的工业机器人模型,并进行了仿真,仿真结果表明,机器人不仅具有刚度控制的特点,对外界约束环境有顺从性,同时能够对期望力很好地进行跟踪。

关键词： 人机交互   信息融合   模式识别   意图理解   柔顺控制  

摘要： 随着智能机器人技术的不断发展,人机交互已成为一个新的研究领域。赋予机器人强大的交互能力已成为提升人机交互表现的重要前提,尤其是在接触式人机协作中,赋予机器人强大的意图理解能力已成为提升接触式人机协作柔顺性的必由之路。然而,在接触式人机协作中,由于当前柔性皮肤触觉传感器的研究并不成熟,再加上神经电信号（脑电信号、肌电信号）信号微弱、抗干扰性差等缺点的制约,接触式人机协作中的意图理解已成为制约接触式人机交互中机器人柔顺性的关键问题。因此,针对当前接触式人机交互在意图理解和柔顺控制方面所存在的共性问题,本文以人与机器人共同完成轨迹跟随的协作任为背景,进行了基于触力觉融合信息的人机交互与柔顺控制方法研究,研究内容主要包括:（1）接触式人-人协作意图表达方式分析与感知系统设计以人-人协作为出发点,研究人-人协作机理,分析接触式人-人协作意图表达方式,从多方式交互的角度去解决接触式人机协作中的意图理解问题;同时完成了触觉和力觉感知系统的设计,并对触觉传感器进行了性能测试与封装。（2）基于触力觉融合信息的操作意图描述定义与决策生成为了对接触式人机协作中操作者的操作意图进行全面的描述与定义,在采用传统六维力传感信息的基础上,增加了实验室自主研发的电容阵列柔性触觉压力传感器,通过采集人在操作过程中手部抓握图像,根据传感器的压力分布和大小来间接体现人的操作意图;首先,采用多模态信息融合技术来获取、描述与定义操作者的操作意图;然后,采用卷积神经网络对人的操作意图模式进行识别;最后,根据描述与定义的操作意图及操作意图模式识别结果进行决策生成。（3）基于触力觉融合信息的接触式人机协作柔顺控制方法研究在上述操作意图描述定义与决策生成的基础上,提出了一种基于触力觉融合信息的接触式人机协作柔顺控制策略,将能够反映操作意图模式切换的变量引入到控制系统中,设计了一种基于触觉反馈的变导纳控制器,实时调整机器人的虚拟阻尼参数,以响应操作者的控制意图;搭建了基于触觉反馈的变导纳控制实验平台系统,进行了接触式人机协作随动实验。实验结果表明,基于触觉反馈的变导纳控制策略能够较好的“理解”人的操作意图,极大地提升了接触式人机协作的柔顺性。

关键词： 机器人   电磁柔顺装置   变刚度   机器人-环境物理交互   柔顺控制  

摘要： 变刚度是近年来机器人柔顺控制领域的研究热点。将变刚度柔顺装置安装于机器人的操作末端并与环境发生直接的物理交互,不仅能提高机器人-环境交互的安全性,还能使机器人系统的运动控制与力控制解耦,提高自动化作业的加工质量。然而,目前的变刚度设计主要基于机械或气动的原理。前者利用机械传动系统对弹性元件进行调节获得变化的刚度,后者则通过控制气压获得可变的柔顺效果;两者都存在结构复杂、力学特性非线性以及刚度变化响应迟滞等问题。因此,目前变刚度柔顺装置执行机器人-环境交互柔顺控制的精度和稳定性均不甚理想。针对以上问题,本文提出了基于线圈-永磁铁非接触式的电磁交互效应的变刚度柔顺原理和方法,开发了电磁柔顺装置的物理样机及其力反馈控制系统;相比目前主要的变刚度设计,显著提高了柔顺控制的响应速度、精度和稳定性。为了增强机器人系统在未知环境下的力顺应能力,论文还研究了空间多自由度变刚度柔顺特性的设计方法。通过开展电磁柔顺辅助下的机器人-环境交互力顺应控制实验,充分验证了电磁柔顺在保障交互安全、提高机器人自动化作业加工质量方面所具有的应用潜力。本文的主要研究内容如下:基于电磁交互效应的变刚度柔顺方法:通过对不同磁源组合力学特性的试验分析,提出了线圈-永磁铁共轴组合的电磁变刚度设计原理。基于对电磁学理论的推导,建立了输入电流到线圈-永磁铁电磁交互系统输出力和刚度特性的解析映射模型。在此基础上,通过对电磁交互系统的结构参数进行优化设计,研制了电磁柔顺装置的物理样机。该样机具有快速的刚度调节响应,在电流控制下能够实现准线性的力-变形特性。面向交互操作力控制的电磁柔顺控制系统:建立了电磁柔顺装置控制系统的理论模型,研究了电磁感应对柔顺装置力学性能的影响。基于对增量式PID、单神经元PID以及BP神经网络PID算法的控制仿真,确定了电磁柔顺装置的自适应力控制策略。在脉冲宽度调制(PWM)技术的基础上,利用Arduino单片机和H桥驱动板开发了电磁柔顺装置的力控制系统。系统测试以及与气动柔顺装置的性能对比表明,电磁柔顺具有力控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点。空间变刚度柔顺特性的设计与实现:利用电磁变刚度弹簧替换并联机构的驱动副,提出了3UPU-4SPS构型的电磁并联柔顺装置设计模型。该模型在刚度中心点具有纯平移的空间柔顺特性,且平移刚度矩阵的特征向量和特征值,分别表征了柔顺装置力柔度主轴的方向和主轴刚度值的大小。建立了电磁并联柔顺装置目标空间力顺应特性到支链弹簧刚度值的综合映射算法。通过控制支链电磁弹簧的线圈电流,可利用电磁并联柔顺装置实现特定边界内任意的目标空间柔顺特性。电磁柔顺辅助下的交互操作力顺应控制实验:在电磁柔顺的辅助下,分别开展了机械系统撞击鸡蛋、挤压鸡蛋以及机器人自动化抛光应用实验。通过电磁柔顺快速的变刚度以及稳健的力控制性能,确保了脆弱的生鸡蛋在交互作用力下完好无损。另一方面,利用电磁柔顺对自动化抛光过程中的抛光正压力进行实时控制,使机器人系统的运动控制与力控制解耦,获得了光滑流畅的自动化抛光材料去除效果。通过上述实验,直观揭示了电磁柔顺在工业自动化中的应用价值。通过本文提出的电磁变刚度原理和柔顺控制技术,使刚度调节的响应时间从传统机械或气动式变刚度设计所需的数百毫秒缩短到不足30ms,并使力控制的精度相比气动柔顺装置产品获得了显著提高,从而为实现安全、可控的机器人-环境物理交互提供了一条新的技术途径。

关键词： 机械臂   运动学   动力学   摩擦   位置控制   直接力/位混合控制   阻抗控制  

摘要： 制造业是我国国民经济的支柱产业,在2015年,我国提出“中国制造2025”战略计划,机器人被作为战略中优先发展的十大行业之一。机械臂作为机器人的一种,在现代工业生产中应用十分广泛。随着制造加工精度越来越高,对机械臂要求也越来越高,不仅需要机械臂完成高精度位置跟踪任务,而且需要与外界接触且对接触力进行控制,完成机械臂柔顺控制。针对机械臂在接触环境中作业的柔顺控制,本文开展了以下几个方面的工作:(1)建立了三自由度机械臂三维模型以及动力学和运动学模型。针对三自由度机械臂性能指标,对机械臂构型、传动系统及结构进行设计,并且为其设计控制方案。在设计三自由度机械臂基础上对动力学和运动学进行分析建模,求解机械臂运动学正逆解以及动力学模型,为后续机械臂控制算法设计以及仿真奠定了基础。(2)考虑机械臂关节摩擦位置控制算法设计。针对所建立三自由度动力学模型,分析了建模中存在的问题,主要针对机械臂系统中的关节摩擦现象,设计了两种机械臂位置控制器。一种是基于库伦-粘滞摩擦模型机械臂自适应鲁棒摩擦补偿控制器,另一种是基于改进连续LuGre摩擦模型的多层神经网络摩擦补偿控制器,解决机械臂关节摩擦对控制精度的影响。(3)力的柔顺控制策略研究。在多层神经网络摩擦补偿位置控制器基础上,设计机械臂直接力/位混合控制策略和基于位置的阻抗控制策略实现力的柔顺控制。并且对阻抗控制策略的阻抗控制器参数进行特性分析,总结了阻抗控制参数对控制效果的影响。(4)仿真验证。通过Matlab/Simulink模块建立机械臂模型验证控制算法的有效性。

关键词： 柔顺控制   阻抗控制   六维力传感器   人机交互   康复机器人  

摘要： 随着机器人相关技术的快速发展以及机器人应用领域的不断延申,传统的位置控制机器人不再具有优势,当需要解决机器人与未知环境或对象接触的顺应力问题时,面向人机交互的服务机器人应运而生。柔顺控制同时解决了服务机器人在与外界交互时的力控制与位置控制问题,在服务机器人运动控制中扮演了至关重要的角色,也一直是服务机器人研究领域的热点。本文首先围绕机器手的人机交互对柔顺控制展开了研究,分析不同柔顺控制方法的优缺点和适用场景。结合本文实验所用到的七自由度机械臂,在其末端安装力传感器,对实现机械臂的柔顺控制进行策略性研究。其次,选定机器人的基础坐标系,建立七自由度机械臂的正逆运动学模型,对机械臂进行关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划,最后结合驱动器自身的插补控制方法进行轨迹跟踪实验,验证了机械臂具有较高的位置跟踪精度。然后,采用阻抗控制来实现柔顺控制,在Simulink仿真中建立基于位置的阻抗控制模型,并仿真不同阻抗参数对机器人控制系统的影响,选择适合实验所用机械臂的阻抗参数,提出了一种基于改进的位置阻抗控制算法的主动柔顺控制算法。最后,搭建机械臂的上肢康复实验平台,设计人机交互时的辅助软件,采用文中提出的主动控制算法进行末端牵引式的上肢关节主动训练实验,对其主动训练效果进行量化评估,实验结果表明该人机交互康复机器人具有一定的训练效果,验证了七自由度柔顺控制在人机交互中的可行性和重要作用。

关键词： 关节力矩传感器   碰撞检测   柔顺控制   扰动观测器   时变阈值  

摘要： 协作型机械臂可以与人直接交互以完成复杂多变的工作任务,并能提高工作效率,因此其逐渐成为机器人研究领域热点。人机协作过程中要求机械臂要能感知与人的交互力,同时为了保障操作人员安全,机械臂要能检测与环境发生的碰撞,因此协作机器臂的外力感知能力尤为重要。目前大部分研究常使用关节力矩传感器完成对力信息的感知。利用力矩传感器实现对机械臂外部作用力的估计,不仅需要处理好机械臂自身惯性带来负载力矩,还要解决力矩传感器自身的力矩干扰问题和信号噪声问题。为解决自制关节力矩传感器的力矩波动和温度漂移问题,提出了一种力矩波动的硬件补偿方法和温度漂移补偿方法。针对谐波减速器传动过程中因为柔轮变形造成的传感器力矩波动问题,研究了力矩波动的消除办法。针对机械臂在连续运行过程中关节温度升高对力矩传感器性能造成的影响,设计温度补偿模块解决了传感器的温度漂移问题。利用动态标定平台完成了改良后力矩传感器的动态标定。利用基于广义动量的扰动观测算法,完成了机械臂外部力矩的估计。扰动观测器可以快速准确的跟踪机械臂外部力矩。针对机械臂动力学模型中参数不准确引起的观测器残差问题,提出了一种时变阈值算法来包络观测器残差,当观测值超出阈值界限时即判断发生了碰撞。提出了在碰撞检测中的采样信号噪声处理方法,以降低观测器噪声并保留碰撞力原始信息。针对柔顺控制算法常只能与末端力传感器进行人机交互,并且难以在商业化机器人中应用的问题,提出了一种基于位置的柔顺控制算法,包括零力控制算法、阻抗控制算法和阻抗控制力跟踪算法。这三种柔顺控制算法利用了观测器的外力估计值,可以在关节连杆的任意位置上进行柔顺交互。为了测试力矩传感器的性能并验证所提算法的有效性,设计了单关节实验平台,并通过优化的激励轨迹完成了单关节的动力学参数估计。利用力矩传感器采集到的关节力矩,验证了基于广义动量的扰动观测算法的有效性,并进一步完成了机械臂的碰撞检测实验和基于位置的柔顺控制算法实验。

关键词： 磁流变液柔顺关节   分数阶PID控制算法   扭矩控制   柔顺关节耦合器  

摘要： 传统刚度机器人由于可以实现精确控制而广泛应用于现代社会,但由于其缺乏主动变刚度而无法实现更安全的人机协作,因此越来越多的学者将新型智能材料集成应用于传统刚性机器人中以期望通过多模传感信息融合以及复杂的控制算法实现机器人关节的柔顺性。磁流变液（Magneto-Rheological Fluid,MRF）是一种新型智能材料,由于其在磁场作用下具有优良的磁流变液流变特性,因此在很多领域得到了越来越广泛的应用。将磁流变液集成应用于机器人关节,利用磁流变液可控的流变特性,结合复杂的控制算法可以使机器人关节具备主动变刚度特性。本文将针对磁流变液扭矩传递装置应用于机器人关节以及如何实现机器人柔顺关节扭矩控制等相关问题进行研究。本文将以磁流变液为扭矩传递介质,设计一种新型柔顺关节耦合器,在此基础上将柔顺关节耦合器与传统刚性机器人集成于一体,并提出了一种新型磁流变液柔顺关节。搭建了柔顺关节耦合器扭矩传递系统的测试平台,并展开零磁场空载特性、输入励磁电流-输出扭矩特性、恒定扭矩输出特性测试,测试结果表明:本文设计的柔顺关节耦合器具有良好的扭矩传递特性。基于磁流变液扭矩传递理论以及Bingham-Plastic模型建立柔顺关节耦合器扭矩传递的静态模型。在磁场下通过分析软磁材料颗粒的非均匀性易于沉淀的特点,利用自回归原理建立柔顺关节耦合器扭矩传递动态模型,通过MATLAB中System Identification Toolbox辨识得到其传递函数模型。结合柔顺关节耦合器扭矩传递的特点提出将分数阶PID（PI?D?）算法用于系统的控制当中,基于分数阶微积分理论的基础,利用Oustaloup滤波算法对分数阶PID的微积分算子做近似处理,并得到其数字化形式。在MATLAB/Simulink中分别建立了分数阶PID和整数阶PID闭环控制的仿真模型。在频域范围内利用理想Bode传递函数作为目标函数的方法推导出分数阶PID控制器的参数。最后仿真结果表明:分数阶PID对柔顺关节耦合器的控制效果要优于整数阶PID控制器。搭建柔顺关节耦合器扭矩控制系统实验平台,对实验平台的硬件和软件的设计过程进行了详细的说明,基于LabVIEW图形化语言编写了分数阶PID控制和整数阶PID控制程序,在此基础上展开了柔顺关节耦合器扭矩传递控制实验研究,实验结果表明:本文建立的柔顺关节耦合器静态模型是合理的,分数阶PID和整数阶PID控制策略对柔顺关节耦合器扭矩传递控制均有较好的效果,但分数阶PID控制策略要优于整数阶PID控制策略。

关键词： 采摘机器人   苹果粘弹性模型   果实抓取复合模型   抓取损伤分析   柔顺控制  

摘要： 中国是世界上苹果产量最高的国家,为提高苹果的采摘效率,降低劳动成本,响应国家大力推动农机装备发展的号召,迫切需要开展采摘机器人相关技术的研究。末端执行器是采摘机器人直接与目标作物接触的关键设备,由于苹果组织柔软,抓取过程中果实损伤率很高,如何降低苹果的抓取损伤,提升抓取系统的柔顺性和稳定性,是目前亟待解决的难题。抓取过程中苹果所受应力大小及其应力分布和末端执行器对抓取力的控制是影响苹果抓取效果的主要因素,本文以揭示苹果损伤机理以及实现苹果柔顺抓取为研究目标,从苹果生物力学特性,果实抓取复合模型,苹果接触应力以及分布的有限元分析和阻抗控制算法等方面进行了研究,主要研究内容如下:(1)建立了末端执行器抓取果实的复合模型。基于苹果表现的粘弹力学行为,通过压缩试验确定了苹果的Burgers模型。其次,将果实的匀速抓取过程细分为匀速加载、夹持减速、应力松弛三个阶段,结合各阶段动力学特点以及苹果Burgers模型建立了果实抓取复合模型并利用MATLAB进行求解,获得了抓取过程中接触力、果实形变以及抓取环境等效刚度的变化规律。(2)利用有限元法建立并求解了有限元抓取复合模型。根据苹果的生物特性参数以及末端执行器手指的物理特性参数,在ANSYS软件中建立了执行器、苹果果皮、果肉和果核的接触几何模型。然后,通过网格划分、建立接触对得到了有限元抓取复合模型。最后,根据果实抓取复合模型求得的不同速度下果实的接触力,设定了施加在执行器有限元模型上的加载力,在ANSYS中间接实现了匀速抓取过程,获得了苹果的应力、形变等变化规律,并基于求解结果分析了苹果的损伤机理。(3)设计了基于力的阻抗控制器以保证执行器匀速抓取果实过程中的柔顺性。根据采摘机器人抓取系统建立了末端执行器的数学模型,介绍了阻抗控制原理。然后,分别针对采摘机器人匀速抓取苹果时存在的抓取过程特殊性以及抓取环境不确定性问题,结合苹果的损伤分析,通过求解果实抓取复合模型获得了阻抗控制器的期望位置输入以及抓取环境模型。接着,设计了基于力的阻抗控制算法并利用MATLAB进行了仿真及调试。最后,发现了阻抗控制器参数变化对接触力的影响规律,并设计了参数随时间变化的阻抗控制系统,提升了系统的控制性能。(4)利用采摘机器人抓取试验平台设计了开环和闭环两种方式的抓取试验。开环试验利用传感器测量了不同抓取速度下的接触力及苹果形变大小,并通过静置观察的方式判断了苹果接触区域的损伤情况,试验结果验证了果实抓取复合模型的准确性以及有限元模型应用于抓取过程苹果损伤分析的可行性。利用改进以及未改进的基于力的阻抗控制进行了多次闭环抓取试验,根据传感器测量的接触力数据发现改进的阻抗控制方法在降低超调量以及提高抓取稳定性方面明显优于未改进的阻抗控制。

关键词： SCARA机器人   主动柔顺   阻抗控制   固高运动控制卡   Simscape Multibody  

摘要： 随着研究的深入,机器人已经逐渐能够替代人类完成各种各样的任务。目前机器人的研究方向众多,其中机器人与环境之间的交互力特性和交互力的控制策略是目前研究的热点,在很多领域和场景都可以看到柔顺力控制的应用。为了解决上述关于机器人与外界接触过程中柔顺力控制的问题,本文主要使用阻抗控制理论来实现对SCARA机械臂主动柔顺控制的研究,分别从仿真和实现两个方面实现了机器人与环境交互时的柔顺特性,并通过变参数阻抗控制进行恒力控制的研究。在仿真方面,本文首先推导了SCARA机器人的基本运动学、几何雅克比矩阵等,以此得到实体机器人的基本运动特性,同时使用了较为新颖的Simscape Multibody联合Robotics System Toolbox工具箱进行机器人的动力学仿真,说明了该方法相较于传统Adams仿真的优势,并使用该动力学模型搭建了任务空间的逆动力学位置控制器。随后本文给出了基于力矩的阻抗控制和基于位置的阻抗控制的理论推导和仿真实现,并由此证明了两种阻抗控制器的控制效果在特定情况下是等效的,即当位置控制器精度足够高时,可以直接使用位置控制内环实现阻抗控制。其次论文还给出两种通过调整阻抗控制参数以实现恒力控制的方法,并给出了变阻抗控制在接触环境和自由状态时的稳定性条件。在实现方面,本文首先使用固高运动控制卡的位置控制实现机器人的基本运动,将电机运动转化为机器人的关节角度,同时使用软件补偿解决电机轴的间隙。然后通过六维力传感器或者虚拟力获得外界对机器人的作用力,并介绍了针对一般情况下末端执行器的重力补偿。随后根据板卡控制的特点,简化并实现了关节阻抗控制和笛卡尔阻抗控制。实验中,为了检测数据和机器人运行时的状态,使用TCP/IP通信建立服务器和客户端的连接,将运行在SCARA机器人客户端程序中的状态信息转发给服务器,并且使用HelixToolKit工具包构建了一个3D图形程序以监测机器人的运行情况。最后基于以上搭建的SCARA机器人样机平台进行了关节阻抗控制、笛卡尔阻抗控制和力控制的实验,实验结果验证了阻抗控制及其相关算法的合理性。综上,本文尝试通过仿真和实验构建一套通用的机器人的阻抗控制柔顺特性和力控制的控制平台,所取得的结果对于后续实现稳定的高精度的机器人柔顺力控制平台具有重要的理论和实际意义。

关键词： 机器人打磨   柔顺装置   浮动打磨   圆弧曲线拟合  

摘要： 手工打磨存在劳动强度大、环境差,粉尘对人体健康危害性大,以及用工困难等突出问题,机器人取代人工打磨作业具有非常现实的需求。目前,机器人能够胜任表面形状简单,要求不高的打磨作业任务,但面对复杂曲面、余量不均、表面质量要求高的打磨任务,机器人还难以取代手工作业。本文针对路径规划、复杂曲面拟合、打磨接触力控制等关键问题开展研究。(1)打磨力分析。以平面打磨作业为对象,综合砂轮磨削研究成果和经验公式,分析了砂纸打磨工况下磨削力的组成,推导了打磨力公式,画出砂纸打磨的受力状态图,总结了砂纸打磨作业特点,为机器人打磨作业工具研制提供了理论依据。(2)适用性强的柔顺装置设计。本文对打磨工艺进行了研究,分析了打磨路径规划、抛磨姿态控制,提出了一种基于NURBS(非均匀有理B样条曲线)的圆弧逼近曲线拟合算法,并结合本设计的特点完成了抛磨路径及抛磨点规划。在分析打磨工艺基础上,基于适用性强以及低成本的设计理念,满足法向接触力要求,以及柔顺控制精度,设计了三个导向装置,安装了力传感器以及位移传感器,实现了小型化,灵活操作及稳定控制。(3)被动柔顺打磨力平衡方程的建立。被动柔顺打磨接触力控制研究从一般普适性打磨力分析开始,建立了在曲面打磨情况下的力平衡方程,得到一般普适性传递函数方程。根据本论文设计的打磨力应用情形,推导了传递函数,利用Matlab工具画出伯德图及奈奎斯特图,分析传递函数的稳定性。最后利用Matlab/Simulink仿真,施加阶跃信号及正弦信号,分析了响应曲线,开展了被动柔顺打磨接触力控制的可行性研究。被动柔顺打磨接触力控制研究的目的在于与后文主动柔顺打磨接触力控制对比分析。(4)基于模糊PID控制算法的主动柔顺打磨作业接触力仿真分析。主动柔顺打磨采用气缸驱动,在力分析基础上建立了力平衡方程,得到传递函数,借助传递函数开展了稳定性分析,比较了传统PID控制与模糊PID控制的特点。(5)圆弧逼近算法的复杂曲面拟合方法。NURBS非均匀有理B样条是由分段有理多项式定义的曲线模型,通过圆弧逼近算法实现复杂曲线曲面的拟合,以及对复杂曲面数据特征提取。