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。

关键词： KUKA机器人   动力学建模   柔顺控制   曲面抛光  

摘要： 曲面零件广泛应用于航天航空、船舶、汽车行业及模具制造行业。目前曲面抛光主要采用人工作业,存在抛光质量稳定性差、粉尘大、效率低等缺点。基于工业机器人的曲面抛光可以有效克服人工作业的各种弊端,已逐渐成为一种行业趋势。为了获得良好的抛光质量,机器人的柔顺控制是一个核心问题。本文基于柔顺控制算法,通过搭建工业机器人自动抛光系统,进行理论和实验研究。主要研究内容包括:(1)在分析曲面零件抛光工艺的基础上,通过Preston模型研究了工业机器人抛光对工件表面质量的影响因素,搭建并介绍了KUKA机器人附带力反馈的自动抛光平台,由需求设计了抛光控制软件的整体架构。(2)求解了六自由度机器人的雅可比矩阵,使用拉格朗日法完成机器人的动力学建模,求解了动力学方程重要参数惯性矩阵、重力项系数等,并对推导的动力学模型进行了MATLABA编程计算,通过联合ADAMS仿真,结果基本吻合,验证了动力学模型的准确性。(3)基于柔顺控制理论,内环采用PD控制的位置控制环,外环分别采用单力反馈控制、阻抗控制以及导纳控制互相对比分析。通过基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术,分别仿真了三种控制算法各自的参数对控制效果的影响和利弊。最终本文采用导纳控制,针对导纳控制的缺点,提出了一种基于时间的动态因子来改进导纳控制算法,可以同时符合较小的超调量及稳态误差,通过仿真验证了改进算法,得到了较理想的控制效果。(4)开发了基于VC++6.0和LabVIEW平台的抛光系统柔顺控制软件,通过LabVIEW平台完成力信号的采集,在VC++6.0平台完成上位机与控制器的通讯,完成了库卡RSI通讯协议及其控制程序的开发。机器人抛光系统通过调用基于动态修正因子的导纳控制算法子程序完成轨迹位置的修正,对曲面工件进行抛光试验,验证了控制算法的有效性。本文通过搭建KUKA机器人抛光平台,探索抛光机器人动力学特性,提出一种基于时间的动态因子的改进导纳控制算法,并通过试验验证了控制算法。本文研究成果对于机器人曲面抛光理论及工程应用具有重要意义。

关键词： 双臂空间机器人   广义相对雅可比矩阵   虚拟基座建模   双臂轨迹优化   阻抗参数辨识  

摘要： 随着人类太空活动的深入,不断增多的轨道垃圾给在轨卫星的正常运行带来潜在危险。为了实现对上述空间目标的捕获及操控,双臂空间机器人作为一种有效手段受到了广泛关注。然而由于基座与机械臂之间存在多重动力学耦合,双臂空间机器人在动力学建模与耦合分析、轨迹规划与控制等方面仍存在较大困难,为其实际应用带来了挑战。基于此,本文研究了双臂空间机器人系统的等效建模方法,并进一步提出了基于等效模型的协调轨迹规划方法、能量最优的轨迹优化方法以及协调柔顺控制方法。为了简化机械臂与基座之间的动力学耦合,提出了双臂空间机器人系统的等效建模方法。首先以双臂之间的相对运动为研究对象,推导广义相对雅可比矩阵,实现了双臂之间相对运动速度到机械臂各个关节角速度的映射,并将其推广至适用于多臂空间机器人与多臂地面机器人的通用形式。为了简化双臂空间机器人基座与机械臂之间的多重动力学耦合关系,建立了等效动力学模型。定义其中一个机械臂的末端为虚拟基座,其余部分则等效为一个超冗余虚拟机械臂,进而将双臂空间机器人简化为超冗余单臂空间机器人。基于所建立的双臂空间机器人的等效模型,提出了多优先级双臂协调轨迹规划和虚拟基座无反作用运动规划方法。结合广义相对雅可比矩阵与零空间投影矩阵,可以在主臂的任务零空间实现双臂之间的相对运动规划,以同时保证双臂末端在惯性空间的期望运动轨迹。此外,基于虚拟基座建模方法,分析等效后超冗余单臂空间机器人的任务自由度冗余,推导了增广广义雅可比矩阵和零空间投影广义雅可比矩阵;可以在规划惯性空间双臂末端期望运动轨迹的同时,实现对冗余自由度的规划控制。为了节约空间机器人宝贵的燃料资源,提出了能量最优的双臂协调轨迹优化方法。根据双臂与目标之间不同的动力学约束关系,将整个捕获过程分解为接触前阶段与接触后阶段。对于接触前阶段,采用臂型角构型表示方法,通过粒子群优化算法得到捕获过程中基座扰动最小的臂型角轨迹;结合臂型角雅可比与虚拟基座建模及控制方法,实现双臂空间机器人的构型优化。对于接触后阶段,假定双臂末端与目标形成稳定固连,考虑双臂与目标之间的运动学、动力学闭链约束;基于目标的动力学方程,采用非线性优化方法,得到基座扰动最小、捕获时间最短的双臂协调操作轨迹。针对机械臂末端与空间目标接触过程中容易产生过碰撞而导致的安全性问题,提出了阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制方法。根据双臂协调操作时的相对关系,推导了双臂之间的相对运动以及相对操作力方程。同时建立双臂之间的等效阻抗模型,通过控制双臂之间的相对操作力,实现对各个机械臂末端操作力的控制。考虑到传统柔顺控制中阻抗参数需要实验测试、人为给定,在未知环境下操作存在一定的危险和困难。因此设计优化目标函数为期望相对操作力跟踪误差的二范数,通过二次规划实时生成最优阻抗控制参数,仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。为了验证本文提出的建模以及规划方法,搭建了双臂空间机器人捕获非合作目标的地面实验系统,由一套双臂机器人和一套目标运动模拟器组成。其中双臂机器人基于动力学模型和运动学等效原理模拟双臂空间机器人的捕获运动;目标运动模拟器通过一个七自由度冗余机械臂携带一个目标模型,模拟空间目标的运动以及双臂空间机器人基座扰动等效的相对运动。基于此地面实验系统,开展了双臂空间机器人捕获非合作目标的实验,结果验证了本文提出的等效建模、轨迹优化以及等效实验方法的正确性。

关键词： 四足机器人   变刚度关节   SLIP模型   稳定性分析   姿态调整  

摘要： 四足机器人具有承载能力强,运动灵活性高和环境适应力强等优点,发展潜力较大,在许多的行业里有着广泛的应用前景。参考自然界中四足动物的身体结构和运动方式,提高运动的灵活性、降低能耗、增强环境适应力是四足机器人领域的重点研究课题。本文搭建了一台四足机器人样机,进行动步态下的运动控制研究,以实现非结构化环境下的快速稳定运动。本文主要研究内容和创新成果如下:1.比较各步态的适用范围和优缺点,选择较为理想的对角小跑步态。建立具有主被动变刚度柔性关节,能够发生柔性变形的单腿数学模型,建立动力学方程。进行动力学分析,为设计控制策略提供了思路。2.基于SLIP模型,设计着地相控制策略。基于具有高精度、控制简单特点轨迹规划,设计腾空相控制策略。这两个相互独立的部分构成了运动控制策略。以此为基础,分析四足机器人在斜坡路面保证稳定性的方法,以及相对于平整路面机身姿态调整方法。为确保自身稳定,设计在复杂环境中快速稳定运行的控制策略,将运动控制策略补充完善。3.使用软件ADAMS选取力矩控制模式进行仿真,分析仿真结果,验证运动控制策略的可行性。设计样机结构以及控制系统,进行样机实验。通过分析实验数据验证样机的结构设计和驱动方式的合理性,并且验证了主被动变刚度柔性关节在样机运动中的有效性。面对实验中存在的各种问题,总结样机结构和控制策略的不足之处,提出改进方法。

关键词： 下肢康复机器人   康复训练   人机交互   自适应控制  

摘要： 近年来，由脑卒中和脊髓损伤等疾病造成的肢体瘫痪患者数量与日俱增。临床研究表明，运动康复能够在一定程度上帮助患者恢复肢体运动功能，重新获得日常生活能力。相对于传统的康复治疗方法，使用机器人辅助康复训练可减少康复训练中治疗师的人数和体力消耗，从而降低治疗成本;同时，可实现多模式个性化的康复训练，提高康复效果。本文在国家自然科学基金“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划重点支持项目“人机共融的灵巧柔顺下肢康复机器人交互方法与应用”(91648208)、国家自然科学基金重点国际合作研究项目“康复机器人主动自适应控制策略与在线评价方法研究与应用”(61720106012)等项目的支持下，围绕下肢康复机器人的系统设计、人机交互控制以及康复训练策略展开研究，主要工作和创新点如下:　　1.针对不同的下肢康复训练需求，设计了足下垂康复踏车和全周期下肢康复机器人两款下肢康复训练样机。足下垂踏车融合了常规踏车训练与足下垂训练功能，足下垂机构是相对独立的模块，有效满足足下垂偏瘫患者的训练需求，弥补常规康复踏车的不足。全周期下肢康复机器人的下肢机构有三个主动关节，可为人体下肢提供单关节、多关节主被动训练，本文给出了机器人电控系统和上位机软件系统设计方案。　　2.提出了一种综合考虑关节耦合因素与粘滞力的摩擦力模型，分别建立了下肢机构动力学模型和人体下肢动力学模型。在强约束和高度非线性的条件下，采用粒子群算法和最小二乘估计对动力学参数进行精确辨识，从而获得精确的人机混合系统动力学模型，进而基于该模型估计出了康复训练过程中人体下肢主动力矩。　　3.针对康复训练过程中最优阻抗参数动态变化的问题，提出了一种基于阻抗参数模糊调节的自适应控制方法。将人机交互作用力、位置误差与速度误差作为变阻抗模糊调节系统的输入，并采用模糊推理实时调整阻尼系数与刚度系数，得到理想的阻抗控制参数，从而建立了一个自适应的主动柔顺人机交互训练环境。可避免康复训练过程中可能出现的下肢痉挛、抖动等异常的肌肉活动造成下肢与机构之间过度对抗而导致的二次伤害，确保了康复训练过程中的安全。并设计了间接自适应模糊控制器，对反映患者运动意图的设定轨迹进行稳定跟踪。　　4.提出了一种改进Sage-Husa自适应卡尔曼滤波方法，用于实时精确估计康复训练中的人机交互力。首先，建立人机混合系统的状态空间表达式。其次将交互力表达为时间的多项式函数，并作为系统状态引入到建立的状态空间方程，采用卡尔曼滤波方法对系统扩展状态进行在线估计，同时根据每一步估计结果实时调整交互力的动态函数阶次，实现交互力模型阶次的自适应。为了应对系统噪声协方差矩阵的不确定性和保持状态更新过程中测量噪声协方差矩阵的正定性，采用改进的Sage-Husa自适应卡尔曼滤波方法对系统噪声和测量噪声的协方差矩阵进行在线修正。在下肢康复机器人平台上的实验结果表明所提出的方法能够准确估计人机交互力的大小，且具有较好的实时性。　　5.提出了一种基于交互力精确估计和模糊变阻尼控制的下肢康复机器人速度自适应策略及相应的康复训练方法。首先将估计的人机交互力转化为关节末端沿参考轨迹前进方向的切向力。通过阻尼控制将此切向力转化为关节运动速度的调整量，动态调节训练速度。同时通过给定指向圆心的自适应法向速度，将运行轨迹逐渐拉向参考轨迹方向。并设计了一种基于模糊规则的阻尼参数调节器，可根据患者主动施加的交互力及偏离参考轨迹的范围来调节阻尼系数，从而实现根据患者肢体功能恢复情况调节训练强度。为了增加康复训练的趣味性，采用Unity3D软件设计了虚拟交互游戏，增强了患者和机器人之间的互动性和娱乐性。最后通过样机实验验证了所提方法的可行性。

关键词： 服务机器人   5自由度机械臂   反馈电流   碰撞检测   柔顺控制  

摘要： 人机交互是机器人技术的一项重要发展方向,主要处理人与机器人的交互、协作。机器人碰撞检测技术和关节力柔顺控制的研究提高了服务机器人的人机共融能力。目前常用感知机械臂意外碰撞的方法是增加外部传感器,而这类传感器的使用显著提高了硬件成本。针对这一问题,本文以优必选科技有限公司设计的Cruzr服务机器人的机械臂为研究对象,对以电流为参数的碰撞检测方法进行了分析,并对服务机器人关节力柔顺控制进行了研究。主要内容如下:根据Cruzr机械臂的机械结构,建立连杆坐标系,设计正运动学方程计算算法,并通过Matlab机器人工具箱验证算法的准确性。采用封闭解法求解逆运动学,设计算法求出所有逆解。通过牛顿-欧拉法完成对Cruzr机械臂的动力学建模。分析了利用电流来检测碰撞的方法,建立了动力学模型。为了简化动力学参数辨识,提出一种简单有效的基于电流变化速率的碰撞检测方法。后继续改进了基于电流变化速率的碰撞检测算法,防止当机械臂改变速度时,电流突变造成的碰撞的误判,对于碰撞检测阈值如何确定这一问题,提出了一种基于电机不同速度的动态阈值检测方法。以实现柔顺拖动为目标,对比分析了力/位混合控制和阻抗控制,在此基础上提出一种利用关节电流变化速率来实现柔顺控制的方法,针对碰撞力的方向判定这一问题,提出利用电位计来辅助判断和先预判碰撞力方向再通过下周期电流变化确定碰撞力方向两种解决方案。通过关节碰撞检测实验和柔顺拖动实验对力觉感知算法和柔顺控制算法进行实验验证。实验结果表明,当碰撞发生时,机械臂可以快速检测到碰撞并做出响应,在Cruzr机器人上可以检测到大于1N的外部碰撞力,响应时间小于30ms;能够在低速下实现人手对服务机器人的力柔顺拖动,达到预期目标。

关键词： 手术辅助机器人   气动执行器   生物组织力学   阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 随着世界性的人口老龄化加剧,各种辅助人类进行工作或照顾老年人的机器的需求量越来越大。这也对执行器的人机交互性能提出了更高的要求。气动执行器利用压缩空气作为动力,具有清洁、低成本等特点。由于气体具有可压缩性,气动执行器具有输出特性“软”的特点,使其更易满足“与人友好”的要求。然而,目前以位置控制主的气动系统控制方法仍不足以满足上述要求。本文选定微创胸外科手术的持镜辅助机器人作为目标应用背景,进行气动执行器柔顺控制的研究。指出医生在控制视野移动时,难以获得腔镜与人体间的接触力,在二维图像难以判断距离和视野受限的情况下,容易发生腔镜接触并破坏人体组织的情况。为了提高持镜辅助机器人的安全性,需要对执行器进行柔顺控制。本文首先针对气动柔顺控制系统的气动系统部分进行建模。分析了比例流量阀控气动系统的工作原理,并利用力平衡方程、压力微分方程和阀口流量方程建立了系统的非线性数学模型。为了获得模型的参数,对气动系统进行了实验研究。通过实验测定了气缸摩擦力;测定了阀芯位移和流量特性,获得了阀口流量方程的各项参数;利用串联节流口理论对有效节流面积进行修正。之后根据手术要求设计了持镜辅助机器人的远心机构,并进行了运动学及动力学分析。负载特性是控制策略研究的重要组成部分,为了设置合理的控制参数,本文分析了微创胸外科手术过程中腔镜的工况,选定了胸腔壁作为研究对象,指出腔镜移动过程中可能出现平动接触胸腔内壁、转动对肋骨产生过大杠杆力和转动时在视野盲区内接触胸腔内壁几种情况。选用羊排为实验对象,测定了生物组织负载的力学特性,发现生物组织的力学特性具有明显的非线性,并且具有应力松弛的特性。本文对比了几种粘弹性体模型的特点,并最终确定了一种变刚度弹簧模型和Maxwell模型的并联组合模型对肋间肌肉、肋骨等生物组织进行了建模与仿真。为了实现胸腔镜在自由空间内跟随输入位移运动,同时避免接触生物组织时产生较大的接触力,本文采用基于位置的阻抗控制作为基本控制思想。针对生物组织应力松弛的特点,对阻抗控制器做了相应的改进,可以使腔镜接触生物组织后控制接触力在较低水平并最终脱离接触,执行器平动自由度的期望刚度可达0.01N/mm。同时也指出为了保证视野,转动自由度上仍应采用普通阻抗控器,期望刚度可达0.05N·m/deg。最后,设计并搭建了气动执行器柔顺控制实验平台,利用羊排进行了柔顺控制实验,验证了本文的控制策略的控制效果。