关键词： 装配机器人   柔顺性控制   动态参数辨识   运动轨迹跟踪   阻抗滤波  

摘要： 为了提升工业机器人装配的精确性与柔顺性,提出适合工业六自由度装配机器人的动态柔顺性控制策略,使之不仅能够实现快速高精度的参考轨迹跟踪,而且能够动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能够保持良好的柔顺性接触力.构建机器人关节空间的标准动力学模型,并变换到末端执行器操作空间,获得操作空间的动态特性.给出该控制策略,主要包含参考轨迹给定模块、内环的轨迹跟踪控制器以及动力学参数辨识模块等.采用滑模算法设计轨迹跟踪控制器;采用阻抗滤波器,生成装配作业时末端执行器的期望运动轨迹;采用sigmoid函数设计轨迹跟踪与接触力控制的判别模块;采用最小二乘算法,设计动力学参数辨识模块.采用Lyapunov函数证明了该控制策略的大范围渐进稳定性和收敛性.基于装配实验台上进行现场装配和动态轨迹跟踪的对比性仿真实验研究.仿真实验结果表明:与典型的比例微分(PD)控制相比,动态柔顺性控制能够在较宽广的范围内实现更精确的空间轨迹跟踪和接触力柔性控制,平均相对误差可以有效地控制在-4%到+4%之内.

关键词： 空间机械臂   变刚度   耦合角动量   元胞自动机差分进化   自适应反演滑模  

摘要： 空间机械臂承担了越来越多的空间在轨任务,因此会频繁地与其他航天器接触或者抓捕目标。在与航天器接触以及目标抓捕过程中,空间机械臂不可避免地会受到碰撞或者冲击,此时自由漂浮空间机械臂动力学参数的变化会导致基座姿态稳定性能降低。针对这一问题,本论文提出了一种新的基于变刚度技术的柔顺控制算法,将变刚度关节引入空间机械臂中,根据拉格朗日动力学方法建立变刚度关节空间机械臂的动力学模型,并设计了软抓捕控制算法减小基座的角动量。具体工作如下:首先,建立了位置和刚度分别由不同电机控制的变刚度关节的虚拟样机。其次,将所设计的变刚度关节引入空间机械臂中,建立了基座位置和姿态皆不受控的变刚度关节漂浮基空间机械臂系统的运动学及动力学模型,并基于Matlab软件平台进行仿真,验证模型的正确性。同时,对变刚度关节漂浮基空间机械臂碰撞前和碰撞后阶段的动力学进行分析,为后文的软抓捕控制策略研究打下基础。然后,以推导的变刚度关节漂浮基空间机械臂系统的动力学方程为基础,基于元胞自动机差分进化算法,设计了多自由度变刚度关节漂浮基空间机械臂的柔顺控制策略。由于基座和关节具有耦合性,以基座和所有关节的角速度最小为准则设计目标函数。利用元胞自动机差分进化算法求解出期望关节刚度值进而实现缓冲减小基座角动量。通过平面两自由度空间机械臂系统进行仿真,验证了所提出的控制策略的有效性。最后,由于关节刚度值与刚度调节电机的转角具有非线性的函数关系,对关节刚度值的控制问题就转换为对刚度调节电机的转角控制。考虑到外扰以及系统参数的变化,针对刚度调节电机提出一种自适应反演滑模控制方法,使实际关节刚度值跟踪上期望关节刚度值。基于Simulink软件平台进行仿真,验证了控制方法的有效性。总结研究成果,并进行展望。

关键词： 气动助力   工业机器人   实时轨迹规划   主动柔顺控制   伺服电机  

摘要： 助力设备和工业机器人在工业领域具有极其广泛的应用,传统助力设备人为参与度较大,自动执行能力不足,而工业机器人大部分承载能力有限,控制大多采用离线编程方式,自主性和对外界环境的适应性较差,气动助力设备结合了上述两种设备的优点,在实际工程中应用渐广,但是自主性和适应性问题仍有待进一步研究。为了提高气动助力设备自主控制能力和对复杂多变环境的适应能力,本课题从气动助力设备实时轨迹规划和负载安装过程的柔顺控制两个方面进行研究,以丰富助力搬运设备控制系统理论研究,拓展助力搬运设备功能及应用。本文基于气动助力实验设备的结构,利用机器人学理论,进行了气动助力设备正运动学求解,得到了从助力设备关节空间向设备末端笛卡尔空间的映射关系,利用反变换法求得助力设备末端向关节空间的转换关系,通过拉格朗日法对气动助力实验设备前六个自由度进行了动力学推导,并建立了相应的运动学和动力学仿真模型,为实时轨迹规划提供了理论基础。针对微调机构单自由度方向,将各项参数等效到电机转轴,建立微调机构单自由度传动装置数学模型,以便于柔顺控制系统建模。分析轨迹规划原理,以运动学理论推导为基本实现手段,综合考虑气动助力设备动力学因素,根据规划原则选择五次多项式插值算法作为轨迹规划算法;综合考虑实际工况,概括出I、L、Z三种典型工作路径,利用五次多项式插值算法,基于前述运动学和动力学仿真模型对典型路径进行轨迹规划仿真,得到各关节转角运动规律,验证了轨迹规划算法的合理性和规划过程的正确性;轨迹规划仿真得到力平衡系统所需大臂和小臂驱动力矩,利用其他仿真软件建立一种图形化模型并仿真,对比两种结果验证了动力学结果的正确性。针对微调机构柔顺控制系统,首先分析了两种典型的主动柔顺控制方法,并选择适合本课题的阻抗控制方法进行柔顺控制研究;以二阶振荡系统为例,基于仿真分析阻抗控制方法应用于本课题的不足之处,并提出改进策略,建立相应的柔顺控制仿真模型,分析该控制方法下顺从环境运动和接触力限制效果;最终建立微调机构单自由度和整体柔顺控制仿真模型,验证微调机构柔顺控制策略的有效性。为了验证微调机构柔顺控制策略实际应用效果,搭建微调机构柔顺控制实验平台,针对几种情况进行柔顺效果验证实验,实验结果表明,本课题所研究的柔顺控制策略满足微调柔顺安装需求,达到了柔顺控制效果,并实现了对接触力的限制。

关键词： 主动柔顺   轴孔装配   工业机器人   RBF神经网络鲁棒控制  

摘要： 机器人轴孔装配技术一直是研究工业机器人应用技术的重要课题。工业机器人在进行轴孔装配作业的过程中经常会出现插销卡阻甚至楔紧的情况,从而损坏装配零件及机器人本体,对生产安全问题造成严重的影响。针对避免工业机器人在轴孔装配作业中出现卡阻现象这一问题,本文研究设计主动柔顺的RBF神经网络鲁棒控制器,实现对轴孔装配的去卡阻操作。论文首先对柔顺技术的相关理论进行深入分析和研究,然后对机器人基础理论进行描述,包括机器人动力学模型、运动学模型以及力的控制,因为判定是否卡阻,需要对插销与插孔之间的作用力进行测量,本文对六维力传感器进行了零点标定,并进行了误差补偿。然后对轴孔装配进行建模,针对模型进行了轴孔装配的运动模态分析,得出装配过程中整个插销运动过程的模态,得到允许插销入孔的最大倾斜角。针对插销入孔中出现的一点式卡阻和两点式卡阻进行力学分析,得到一点式卡阻和两点式卡阻的判定条件,并仿真出两点式接触时插销倾斜角与插入深度的函数曲线图,最终确立轴孔装配去卡阻总体方案。最后本文设计出主动柔顺的RBF神经网络鲁棒控制器,对控制器进行了仿真,通过对插销以不同倾斜角度进行入孔作业的仿真,并对仿真结果进行了验证,证明了控制器的合理性。

关键词： 机器宇航员   协调操作   阻抗控制   扰动观测器  

摘要： 随着我国航天事业的不断发展,面对复杂的太空操作任务,单臂机器人已经无法满足使用要求。机器宇航员具有出众的协调操作能力,在诸如搬运航天器件、更换力矩陀螺等任务中,发挥着越来越重要的作用。由于空间环境的复杂多变,机器宇航员在执行操作任务过程中不可避免的会与操作环境或人类宇航员发生干涉,若不对干扰力进行检测和控制,不仅会影响机器宇航员操作任务的执行精度,同时还会损坏机器宇航员和航天设备。因此,开展机器宇航员干扰力检测及柔顺控制策略研究有着重要的理论意义及实际应用价值。本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目“面向大负载在轨自组装任务的太空机械臂系统稳定控制方法研究”(课题编号:61573066),以机器宇航员为研究对象,针对干扰力作用下的动力学建模、阻抗控制策略、协调操作控制策略以及干扰力检测等关键技术开展研究。主要研究工作如下:首先,在干扰力已知条件下开展机械臂柔顺控制方法研究。针对传统动力学模型包含信息有限的问题,引入零空间雅可比矩阵,构建机械臂的扩展动力学模型,实现操作空间和零空间动力学方程的结合,为基于动力学模型的干扰力控制提供基础。针对干扰力控制问题,基于扩展动力学模型,在实现机械臂操作空间阻抗控制的基础上,结合零空间阻抗控制算法,设计已知干扰力作用下机械臂阻抗控制算法,在实现机械臂末端柔顺控制的同时进行干扰力控制,减小干扰力对机器臂系统的不良影响。其次,开展考虑干扰力作用的机器宇航员协调操作柔顺控制方法研究。将研究对象从机械臂推广到机器宇航员,在设计机器宇航员零空间雅可比矩阵的基础上,构建机器宇航员扩展动力学方程。针对机器宇航员紧协调操作过程中操作物的控制问题,分析双臂末端与操作物的几何约束和力学约束,建立机器宇航员与操作物的统一动力学模型,设计满足操作物阻抗的机器宇航员协调操作柔顺控制算法,在完成操作物位姿跟踪和内力柔顺控制的同时,实现对干扰力的控制。然后,针对干扰力的接触点、作用力大小未知等问题,开展基于扰动观测器的机器宇航员协调操作柔顺控制方法研究。针对干扰力无法直接获取的问题,基于广义动量守恒,设计机械臂扰动观测器,实现对扰动力矩、等效扰动力的观测。将研究对象从机械臂推广到机器宇航员,在推导协调操作系统扰动观测器的基础上,设计基于扰动观测器的机器宇航员阻抗控制策略,实现干扰力未知情况下操作物位姿和内力的控制精度保持,提高机器宇航员的抗干扰能力,增强适应性。最后,针对机器宇航员协调操作柔顺控制方法开展实验研究。改造机器宇航员地面实验平台,分别设计干扰力作用下的机械臂阻抗控制实验和机器宇航员协调操作阻抗控制实验。对比分析实验数据,验证所提出的相关算法的有效性与实用性。

关键词： 柔顺控制   机器人抛光   主动柔顺法兰   阻抗控制   自适应  

摘要： 机器人的柔顺性表现在其与外界环境发生接触时顺应能力,这个特性可以帮助人们完成许多复杂的工作,比如装配、去毛刺、抛光。本文围绕机器人抛光对柔顺控制展开了研究,其中抛光法向力对工件的表面加工质量影响最大,本文以抛光法向力的恒力控制为出发点,对机器人抛光接触力进行柔顺控制研究。首先,本课题根据抛光工艺的需求,设计了一个机器人末端夹持的气动抛光工具主动柔顺法兰。对主动柔顺法兰的各个部分进行数学建模,在气动非线性建模过程中进行线性化处理。对气缸摩擦力的分析采用Lu Gre摩擦力模型进行实验研究,通过参数辨识获得气缸摩擦力的数学表达式。将主动柔顺法兰的各个部分进行数学解算,获得其传递函数并进行稳定性分析。接着,在机器人进给运动控制方面,建立机器人坐标系,得出机器人运动学的正逆解表达式。在此基础上,借鉴数控铣削的加工方法,采用行切法对机器人抛光加工进行路径规划研究,获得可以用于抛光加工轨迹的数学表达式,并进行仿真研究,对在求机器人逆解的过程中可能出现的问题给出相应解决方案。然后,在机器人的接触力控制方面采用阻抗控制,建立基于位置的阻抗控制模型,通过仿真进行阻抗参数辨识,并对其稳态误差进行理论研究。针对阻抗控制存在的不足,根据李雅普诺夫渐进稳定性定理,提出自适应阻抗控制算法,得到自适应控制的表达式,搭建自适应阻抗控制的仿真模型,通过仿真研究算法对环境适应性。最后,搭建基于主动柔顺法兰的机器人抛光实验平台,采用自适应阻抗控制算法进行抛光接触力的控制,通过大量的实验来验证算法的可行性和鲁棒性。

关键词： 一体化柔性机器人关节   柔顺运动控制   谐波减速器   力矩估计   系统建模与参数辨识  

摘要： 一体化机器人关节是下一代工业机器人的核心部件,关节的机械结构和控制器设计直接影响了机器人在实际工况中的表现。与传统的机器人关节不同,一体化机器人关节将电机、减速器、制动器、传感器和相应的驱动控制电路集成在同一个关节系统内,这样的设计的优点在于使关节系统重复拆装性好,易于维护且可以根据不同的工况来搭配构型。但是,为了提高关节的输出转矩-自重比同时实现柔顺运动控制,一体化关节中往往采用谐波减速器加力矩传感器的硬件搭配。谐波减速器机械特性复杂难以建模,同时谐波减速器与力矩传感器给系统引入了柔性导致系统产生了力矩波动,提高了关节系统的控制难度。同时力矩传感器本身价格昂贵,大幅度提高了机器人整机的制造成本,限制了机器人的普及应用。传统的机器人专注于定位和轨迹跟踪的任务实现.随着机器人的普及,们对机器人提出了更高的要求,其中一个基本的要求在于实现机器人与环境的友好交互和对人的安全性。因此,柔顺运动控制器在近年来受到了更为广泛的关注。相对于传统控制器对于定位的快速性,精确性和稳定性的要求,柔顺运动控制器在此基础上同时关注机器人与外界交互时的柔顺性。基于前文的分析,文本进行了如下研究:第一,在对一体化柔性机器人关节的结构设计初步了解的情况下搭建了关节实验测试平台。设计了关节系统的三环伺服控制系统,并基于dSPACE硬件在环仿真测试系统完成了关节的三环伺服参数整定,获得了精确可用的关节电机电流、速度、位置控制器。为之后的实验和控制器设计奠定了基础。第二,基于一体化柔性机器人关节的机械结构设计对关节系统进行了较为精确建模,并通过一系列的实验对模型参数进行了辨识。针对模型中对运动控制性能影响较大的非线性摩擦力和动态重力进行了非线性项补偿,最后通过实验验证了辨识精度和非线性项补偿的效果。第三,针对力矩传感器成本较高的缺陷,提出了一种基于神经网络算法的力矩估计方法。通过对主要传动部件:谐波减速器的机械结构分析,获得了与谐波减速器输出力矩相关的输入变量,并通过神经网络映射的方法得到了力矩估计的算法。最后通过实验对比了估计力矩和传感器信号之间的差别,验证了估计方法的有效性和精确度。第四,针对系统柔性引起力矩波动的问题,采用了基于力矩估计的全状态反馈控制器对电机端惯量和摩擦力进行了等效削弱进而抑制了力矩波动,提高了轨迹跟踪性能。并通过实验验证了控制器的有效性。

关键词： 非线性刚度   柔顺驱动器   阻抗控制   干扰观测器   迟滞补偿   李雅普诺夫稳定性  

摘要： 上肢康复机器人早期研究主要集中在欧美、日本等发达国家。目前这些国家医疗康复机器人的市场呈逐年上升趋势。而我国目前对于上肢康复机器人的投入与欧美、日本仍有很大的差距,上肢运动功能障碍康复机器人的研究任重而道远。随着我国人口老龄化加剧,因中风导致的上肢运动损伤患者的增多,上肢康复机器人所具有的使用价值将会越来越大,其需求也将越来越大,因此发展具有核心竞争力的国产上肢康复机器人具有重大现实意义。与传统工业机械臂相比较,安全性对于康复机器人研究来说至关重要。为了保障人与机器人交互过程的安全性,康复机器人的核心部件—柔顺驱动器的性能就显得尤为重要了。通过横向比较国内外关于柔顺驱动器的种类与性能指标,本研究从仿生角度提出了一种刚度负载相匹配的柔顺驱动器设计思路—“小负载,低刚度;大负载,高刚度”的负载选择刚度机制,即人体上肢在从事重体力劳动时,肌肉紧绷,刚度变大;而在从事写字画画等轻体力的工作时,肌肉松弛,刚度变小。为实现此刚度负载匹配的柔顺驱动器功能,本文从机械结构,控制方法两个角度设计该驱动器。在结构上,该柔顺驱动器通过在交互力小时表现出低刚度,获得精确的力矩分辨率;在交互力大时表现出高刚度,获得较大带宽,从而实现更加柔顺精确的人机交互(HRI);在控制上,对非线性刚度驱动器(NSCA)进行动力学建模,利用阻抗控制算法模拟实际交互环境,通过对比数据总结驱动器的性能,发现该柔顺驱动器位置的精度与响应速度等方面还存在着一些问题,随后本文针对这些问题进行了进一步的优化。对于非线性刚度驱动器控制上的优化主要分为两部分。其一,针对影响系统的控制精度而又难以准确建立数学模型的干扰和噪声问题,本文利用基于观测估计干扰并实施补偿的干扰观测器(DOB)进行解决。其二,针对由于摩擦和阻尼作用引起的驱动器弹性元件迟滞问题,本文采用离散化的Bouc-wen迟滞模型对该迟滞现象进行描述,通过参数识别建立起更适用于本文所提出的非线性刚度驱动器的迟滞模型,消除了由于迟滞引起的驱动器控制精度不足的问题。经过以上两个方面的优化,非线性刚度驱动器达到了精准的力位输出交互性能,也为后续的康复机器人功能的开发奠定了良好的基础。

关键词： 扰动观测器   碰撞检测   碰撞响应   柔顺控制   惯性可调   阻抗可调  

摘要： 协作型机械臂已逐渐成为研究的热点。人机协作的研究正向能够应对复杂多变的操作环境发展,这对机械臂的安全性提出了很高的要求。为了在保证安全的前提下进行人机协作,机械臂必须具有对外部物理碰撞的感知和响应能力,同时具备对外部作用力准确识别的功能。目前大部分的研究都是基于力传感器实现对外力的检测,且市场上的轻型协作机械臂大多配备了高性能的扭矩传感器,这使得机械臂的成本大幅上涨。若实现无传感器的外部碰撞检测和外力感知功能,将能够显著降低协作型机械臂的制造成本。目前具有代表性的无传感器碰撞检测算法是基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法,该算法可以对外部扰动力矩进行快速准确地跟踪。本文对该算法进行了仿真分析,并构建了考虑电机惯量及摩擦阻尼得扰动观测算法,实现了利用电机电流命令估计外部扰动力矩的功能。实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应功能。针对机械臂的人机协作功能,本文利用将外部扰动力矩估计值映射至关节空间轨迹命令的思想,通过将扰动力矩估计值映射至关节加速度命令,构建了惯性可调的柔顺控制算法,使控制算法在人机协作过程中呈现出惯性特性,并可通过调整参数,改变惯性大小。本文还通过将扰动力矩估计值映射至关节速度命令的方法,构建了阻抗可调的柔顺控制算法,在人机协作时,柔顺控制算法呈现出阻抗特性,并可通过调节算法参数,改变阻抗大小。利用该思想设计的柔顺控制算法的优点是,不需要更改机械臂伺服控制算法,在轨迹规划层实现了机械臂的人机协作功能。为验证本文提出的算法有效性,设计了二自由度机械臂实验平台。并在平台上分别利用扭矩传感器测得关节力矩作输入,和利用电机电流命令映射得到的电机侧力矩作输入,实现了基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法。并基于两种方式,进行了碰撞检测及响应策略实验,惯性可调柔顺控制实验和阻抗可调柔顺控制实验。依靠电流命令实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应和柔顺控制。并且对利用电流命令实现以上算法与利用扭矩传感器实现的性能进行了比较,提出了不足和改进空间。

关键词： 人机协作   意图识别   机器学习   力信息   柔顺控制  

摘要： 随着机器人技术的迅速发展,机器人由独立完成简单作业逐渐转变为人机协作完成更复杂的作业。因此人机协作技术具有广阔的应用前景和重要的研究价值。在人机协作过程中,期望人与机器人能够安全舒适的进行作业。本研究旨在提高人机协作系统的稳定性和安全性,使人机协作更加柔顺、舒适。首先,对人机交互方式进行分析,建立了简化的人机协作模型。并且用D-H法和拉格朗日动力学方程分别构建了合作者上肢运动学与动力学模型,为控制器初始参数的选择奠定了基础。其次,利用人机协作模型进行实验确定了阻抗控制中的系数,为下面以阻抗控制为基础进行研究提供了数据支持,建立了二维模糊控制器,实现了接触式人机协作过程中交互力信息的调节。对人机协作运动过程中机器人的末端速度和交互力等实验数据进行分析,并与阻抗控制算法的结果进行对比,验证了模糊控制方法相对于阻抗控制方法的优越性。再次,为了进一步提高人机协作控制效果,通过对合作者的行为信息进行判断、分析,提出了一种基于机器学习识别合作者运动意图的方法。建立了BP神经网络模型,对机器人进行意图识别训练,使其具有一定的学习、预测的能力,以便在合作过程中能够根据合作者的作用力和机器人的运动特征实现在线估计人的意图。该方法的优势在于克服了传统方法中人体运动模型复杂多变、建立人机合作模型困难,人体阻抗参数难以估计等缺点。最后,建立了人机协作实验系统,进行实验研究,实现了识别人机协作过程中操作者的意图信息。通过实验对人机协作系统中机器人的末端速度和交互力等数据进行分析,并与模糊控制、阻抗控制方法的控制效果进行对比分析,结果表明,基于BP神经网络控制方法能够准确识别合作者的意图,该方法减小了人机之间的作用力,提升了人机协作运动的同步性,提高了人机协调运动的柔顺性。