关键词： 空间机械臂   力控制   末端柔顺   阻抗控制  

摘要： 当空间机械臂执行任务时与环境相接触,机械臂末端工具和目标之间可能存在很大的接触力.为了将接触力限制在一定范围内,本文提出了基于位置控制内环的阻抗控制对机械臂末端精细工具进行柔顺控制的方法.该方法建立了机械臂末端工具的位姿与接触力/力矩之间的动态关系,使用关节位置/速度传感器和腕力传感器的测量来得到关节角、关节角速度和末端接触力反馈,使得机械臂末端执行器根据反馈作出相应的顺应性运动.研究将阻抗控制应用在复杂精细的末端工具上,将位置和姿态同时纳入柔顺控制器的设计中,实现了末端位置和姿态的综合控制.最后本文以螺钉拆卸为例,对提出的末端柔顺控制律进行位姿控制和接触力控制的仿真验证.仿真结果表明,本文设计的柔顺控制器可以有效控制接触力在合理范围内,并在误差很小的范围内实现位置和姿态的综合控制,对实际工程应用中,机械臂末端的精细操作具有指导意义.

关键词： 空间机器人   多销孔对接   动力学前馈   力柔顺   电机模型  

摘要： 多组销孔对接并固定是空间站舱外可移动仪器设备的最常用安装方式,其中多组销孔的自动对接是空间服务机器人能否代替航天员完成这一任务的关键。针对这一问题,首先对多销孔配合结构的特殊受力情况进行分析,提出适合的力柔顺控制方法,并针对微重力环境下机器人控制所面临的特殊问题,采用基于动力学前馈的控制方法,直接对关节进行力矩补偿,再基于所建立的机器人关节的数学模型,对前馈算法的补偿量进一步映射到电机电流环,从而进一步加快关节响应速度,保证力柔顺装配效果,最后分别针对所提出的力柔顺装配方法和前馈算法进行了模拟微重力试验和仿真试验,试验验证了所提出的针对空间多销孔对接的力柔顺装配控制方法的有效性。该方法为空间服务机器人安全完成舱外仪器设备安装任务提供了技术支撑,并可为空间服务机器人其他任务的安全稳定控制提供借鉴。

关键词： 外骨骼康复机器人   康复训练   Dual-Mode控制   自适应阻抗控制  

摘要： 本文针对目前全球康复治疗的现状，以及已有的下肢康复机器人存在的局限性，开发了一款新型外骨骼下肢康复机器人，可以实现卧姿、坐姿和站姿等多体位康复训练。通过采取多种控制策略，满足不同康复阶段的患者使用。\n 根据人体下肢结构特点和康复训练需求，设计了一款能实现多体位康复训练的下肢外骨骼康复机器人，并讲述了所设计机器人的机构组成和工作原理。详细介绍了下肢外骨骼机械腿及其人机力交互模块的设计。\n 通过对人体下肢步态运动机理进行分析，采集了不同人体自然步态数据并拟合成轨迹函数，作为患者康复训练的控制参考步态轨迹。并通过D-H参数法对所设计的外骨骼机械腿进行正、逆运动学分析;运用Lagrange法获得了机械腿的动力学模型。并通过动力学仿真分析，验证了动力学模型的正确性。\n 在患者康复训练初期，针对在“外骨骼主动”即患者被动控制训练的特点，设计了基于PID和模糊控制的Dual-Mode控制算法:当系统误差较大时，采用模糊控制提高系统的动态响应速度;反之，当系统误差较小时，将控制器切换到PID控制，消除稳态误差。通过仿真对比，结果验证了所设计算法的可行性，并有效提高了控制的精度。\n 在患者康复训练恢复期，针对在“患者主动”即机器被动的控制训练时，需要考虑人机接触柔顺性的问题，设计了基于患者病情模糊自适应的PSO阻抗控制算法。在优化阻抗参数的基础上，通过分析患者病情，加入模糊自适应控制器，来补偿系统误差，实现了柔顺控制的目的。\n 在搭建了第一代康复机器人样机的实验平台上，进行了下肢外骨骼机械腿极限位置测试实验、坐-立姿态转换实验。通过基于PID和模糊控制的Dual-Mode控制算法的患者被动实验，验证了所设计被动控制算法能有效提高系统的响应速度，减少稳态误差，提高了控制的鲁棒性。在基于患者病情模糊自适应的PSO阻抗控制算法的患者主动实验中，与传统位置阻抗算法相比，本文设计的算法其跟踪最大误差减少了47.2％，其累计和平均误差减少了50.7％。证明了所设计的算法可以实现期望力跟踪，有效提高了步态轨迹跟踪的精度。

关键词： 空间五指灵巧手   柔顺控制   阻抗控制   控制率  

摘要： 为了可靠稳定地抓握物体,空间五指灵巧手大多采用主动柔顺控制方法。针对单指研究了腱空间和关节空间两种阻抗控制方法。基于所研制灵巧手系统参数建立的动力学模型,对两种方法进行了仿真分析。仿真结果验证了腱张力分配算法和两种控制器设计的有效性。关节空间控制方法消除了耦合效应,从而具有更好的跟踪性能。

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。