关键词： 踝关节康复机器人   sEMG   连续运动控制   柔顺控制  

摘要： 近年来,我国人口老龄化现象日益严重,脑卒中的发病率也呈现逐年上升的趋势。对于罹患踝关节运动障碍的脑卒中患者而言,其踝关节长期处于足下垂的状态,如果不能及时接受康复治疗,将会产生不可逆的损伤。但是于患者而言,有限的康复医师数量往往导致其错失最佳治疗时机;于康复医师而言,繁重单调的康复任务无疑大大加重其工作负担。随着机器人技术的进步,众多研究者将其与医疗康复技术相结合,促进了医疗康复机器人领域的迅速发展。本课题中以设计的单自由度踝关节康复机器人为平台基础,结合康复医师的建议,针对不同病情的患者、患者在不同康复时期的具体情况,设计并实现系统性的评估与康复功能。由于医学上常用的评估量表完全依赖于康复医师的主观判断,设计了评估功能以对患者踝关节的状况进行量化,从而实时了解其恢复情况。患病初期的患者关节僵硬、抵抗扭矩较大,设计的被动康复功能可以辅助康复医师完成对其踝关节进行牵拉的任务。训练后期的患者,关节活动度明显增加,设计的主动康复疗法可以有效地帮助其进行肌肉力的训练。另外,为了提高患者康复治疗的积极性,设计了游戏康复功能。由于患者无法自主实现对患侧踝关节的控制,为了帮助其建立起患侧踝关节的主观运动意图到关节运动角度之间的正向映射关系,在本课题研究中引入sEMG。针对患者难以保持某一动作、sEMG信号微弱等特点,提出了一种新的关节角度估计方法。该方法充分利用了踝关节运动时胫骨前肌与腓肠肌的拮抗关系,将踝关节的动作类型与单个肌肉群的收缩进行关联,利用归一化的特征值完成运动意图的辨识和运动角度的估计,获得到连续平滑的角度估计曲线,作为参考输入传递给康复机器人,辅助患者踝关节实现相应的运动。踝关节康复机器人作为辅助类机器人,与人体直接接触。当二者之间的交互力矩骤然增大时,为保证安全,机器人应该表现出一定的柔顺性。因此,本课题中对阻抗控制算法进行相关研究,通过设计刚度参数、阻尼参数的自适应控制律,利用交互力矩对机器人末端的运动角度与运动速度实时进行调节,使其对外表现出等效柔性,从而保证人机交互时可以更加友好。

关键词： 下肢外骨骼   动力学分析   干扰观测器   滑模控制   阻抗控制  

摘要： 下肢外骨骼控制的关键是配合操作者,在充分理解人的主观控制能力和动作导向能力的基础上,发挥机器人的承载能力。下肢外骨骼通过理解穿戴者的运动意图,跟随其期望轨迹完成日常生活中一系列运动。由于穿戴者保有一定的行为能力,其主动力矩与外骨骼控制力矩相互耦合,主动力矩的不确定性对外骨骼控制带来很大的影响。同时外骨骼在运行过程中可能会受到外界环境的影响,需要对外骨骼进行柔顺性控制,及时降低外界作用力带来的影响以保证穿戴者的舒适性和安全性。本文针对外骨骼的力矩耦合和柔顺性控制问题进行研究,主要内容如下:1.采集穿戴者行走过程中的下肢肌电信号及运动信息,利用极限学习机算法对肌电数据进行训练,得到髋关节和膝关节的期望运动轨迹。将下肢外骨骼系统简化为连杆模型,对模型进行合理的假设和简化后,运用拉格朗日动力学对连杆模型进行分析,分别建立下肢外骨骼摆动相和支撑相动力学模型。2.针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,进行基于干扰观测技术的控制方法研究。针对模型的非线性、强耦合特征设计滑模控制器,基于干扰观测器对穿戴者的主动力矩进行估计,实现对滑模控制器的补偿,并进行稳定性分析和仿真实验设计。实验结果证明,所设计的闭环系统对期望角度具有良好的跟随能力,可以有效抑制干扰的影响。3.将外骨骼角度动力学模型转化到笛卡尔坐标系,建立外骨骼位置控制和末端约束面之间的关系模型,完成基于阻抗模型的末端接触力计算;在充分考虑模型非线性、强耦合的基础上,设计基于模糊估计的阻抗滑模控制系统,并进行稳定性分析和仿真实验设计。实验结果证明,该控制系统可以明显降低外骨骼在摆动相与障碍发生碰撞时的接触力,有效提高外骨骼穿戴者的舒适性和安全性。

关键词： 弱撞击对接机构   空间对接   柔顺力控制   惯性-阻抗控制   自适应控制   联合仿真  

摘要： 空间对接机构的对接控制技术在空间对接时能够帮助对接机构更稳定地完成对接,有助于提高空间对接机构的对接成功率。目前,逐渐复杂多样化的空间任务对空间对接技术提出了更高的技术要求,但我国掌握的空间对接技术与国外先进技术仍然存在一定差距,因此需要对新型对接机构的对接技术进行研究。针对新型对接机构的对接控制技术,本文的研究内容具体如下:具体介绍弱撞击对接机构的组成、工作原理和控制实施过程,并给出对接控制技术要求。介绍该对接机构的运动学,推导速度和力雅克比矩阵。分析控制方法,考虑该对接机构的对接特性,选择基于位置的阻抗控制方法作为机构对接柔顺力控制方法。通过仿真分析控制参数选取准则,并给出碰撞力控制律。设计位置阻抗控制器,在ADAMS中建立三维模型,在MATLAB中建立基于位置阻抗控制器的对接控制模型。根据联合仿真结果分析位置阻抗控制策略下碰撞力过大的问题,给出惯性补偿方案。搭建基于惯性-阻抗控制的优化对接控制系统,不同工况下的MATLAB和ADAMS联合仿真结果显示,面对不同的对接环境,控制器对碰撞力的约束效果良好,验证惯性-阻抗控制器应用于对接控制系统中的可行性。在基于惯性-阻抗控制的对接控制模型的基础上,构建基于自适应阻抗控制的控制模型。根据模型参考自适应控制器和Lyapunov稳定性理论设计自适应控制器。联合仿真结果显示,自适应控制对惯性-阻抗控制器的控制效果具有优化作用,充分验证了自适应控制方案的优化可行性。

关键词： 机器人柔顺关节   可变刚度   磁流变液   模型预测控制   耦合器  

摘要： 随着机器人技术向生产生活各个应用领域的快速、深度延伸,传统的刚性、独立运行工业机器人难以胜任,协作型机器人的研究与开发应运而生。特别是在装配、打磨抛光、易损或柔性对象抓持与操作等力位混合控制或力/力矩保持作业任务中,需要对力和位置进行协同控制。而当前协作型机器人的研究大多基于传统工业机械臂配合多种高精度传感器及先进的柔顺控制算法来实现,对系统建模精度和控制算法的准确性和适用性提出了极高的挑战,虽然众多研究人员和企业科技人员投入研发,也尚未满足协作型机器人使用过程中的顺应性和安全性需求。为实现机器人协作过程的顺应性和安全性,研发具有内在柔顺性,即具有刚度主动可调特性的柔性机器人是一种更为直接思路,能够从根本上解决机器人的安全性问题。针对此目标,本文提出研究一种新型的机器人磁流变液柔顺关节,该关节将磁流变液作为传动部件的一个重要组成部分,利用其区间连续可控传动特性实现机器人关节的位置和力矩的混合控制,使得机器人关节具有内在的安全性和柔顺性。将磁流变液应用于机器人关节的基本问题之一是建立其剪切传动的流变模型。论文详细介绍并分析了Bingham Plastic模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型及这些模型的组合模型,针对机器人关节的柔顺性需求,结合磁流变液剪切的预运动/微动特性、剪切致稀特性和恒转矩传动特性,提出了磁流变液的分段式全域剪切应力模型,该数学模型是磁流变液柔顺关节运动、动力特性分析以及控制研究的基础。设计了基于磁流变液的柔顺关节结构,详细分析了其核心柔顺机构磁流变液柔顺耦合器的结构设计和磁路设计,以及电磁学特征、温漂特性,建立了电流与磁感应强度之间的解析模型,即I-B模型。提出了耦合刚度概念,并基于I-B模型建立了耦合刚度模型。基于耦合刚度概念定义了磁流变液柔顺关节的传动刚度,为机器人柔顺关节及基于此关节的柔性机械臂的变刚度控制及刚度约束提供了结构和模型基础。基于I-B模型分析了磁流变液柔顺关节耦合器的力矩耦合关系和位置耦合关系,建立了其力矩耦合模型和位置耦合模型。对机器人柔顺作业过程进行了分析,将其分为自由空间和约束空间两种不同阶段,进一步明确上述两个阶段内机器人关节控制的约束条件与需求。提出当磁流变液柔顺关节工作在自由空间时,其内部磁流变液处于同步传动阶段;当磁流变液柔顺关节工作在约束空间时,其内部磁流变液处于屈服阶段,通过主动调节耦合刚度进行传动刚度调控。针对磁流变液柔顺关节的分段运动特性与控制要求,提出了一种主动柔顺双环控制策略,包括位置控制环和力矩控制环。位置控制环进行目标位置的跟踪控制,力矩控制环进行基于耦合刚度约束的输出力矩控制,位置控制环和力矩控制环之间则利用阻抗模型将位置变化变换为力矩约束修正量。采用模糊自适应整定PID控制算法进行耦合位置控制,提出了基于有约束模型预测控制的磁流变液关节耦合力矩控制算法。对全域剪切应力模型、力矩耦合模型及基于MPC控制算法耦合力矩控制分别进行了仿真分析。搭建了基于磁流变液柔顺关节耦合器实验样机系统,分别进行了磁流变液柔顺关节耦合器耦合性能实验和耦合力矩闭环控制实验。本文针对机器人应用中对柔顺性和安全性的迫切需求,从机器人本体安全性角度出发,充分发掘磁流变液材料的流变特性和多模式传统特性,提出研究了基于磁流变液的机器人柔顺关节,建立了该关节的基本模型,提出了有效的可变刚度和力矩输出控制策略与算法。本文的研究工作为新型主动可变刚度柔性机械臂研究提供了一个新的思路和实现方法。

关键词： 液压驱动单元   力伺服   非线性PID   自抗扰控制器   阻抗控制  

摘要： 足式机器人因为其能够适应复杂地形和恶劣环境,而且能够完成比较复杂的任务,因此具有广阔的应用前景。液压驱动单元由于其功率密度大、动态响应快、抗电磁干扰性强等特点,能够满足机器人的对负载和运动性能的要求。但是因为液压刚度很大,机器人在与环境接触时时会产生较大撞击,从而影响整体的结构。因此本文研究从提高液压驱动单元的柔顺性来展开,通过提高阻抗控制的控制精度,从而使液压驱动单元有更好的柔顺性,主要研究内容如下:为建立更符合试验台的力伺服系统数学模型,首先用液压弹簧刚度理论确定的伺服缸的初始位置和初始容积,然后搭建三种定义负载压力和负载流量下阀控缸数学模型,仿真分析选择了最符合试验台的负载压力和负载流量定义,线性化非线性环节后,最后建立力伺服系统数学模型,给出了外环阻抗控制模型。在提高阻抗控制内环力伺服系统的力跟踪效果方面,对力伺服的控制算法进行研究。给出了非线性PID和自抗扰控制器的算法组合,并搭建了力伺服系统和控制器simulink仿真模型,整定控制器参数,通过仿真验证非线性PID和自抗扰控制器对力伺服系统的控制效果。搭建了对顶实验平台,对自抗扰控制器和PID的控制算法在LabVIEW重新编程,通过实验验证了自抗扰控制器在力伺服系统上的有效性,并进行阻抗控制实验,实验结果表明,自抗扰控制器能够提高力伺服阻抗控制的精度,从而使液压驱动单元的柔顺性增强。

关键词： 自助行李托运   自动贴标   机器人技术   柔顺控制   力跟踪  

摘要： 机场提供自助行李托运服务的目的在于简化乘机流程,缩减旅客的排队时间,然而由于设备操作的复杂性,致使办理自助行李托运的效率要远低于柜台的办理效率。调查发现,导致其效率较低的关键环节为行李标签的粘贴,为提高自助行李托运的效率,需要实现行李标签的自动粘贴。由于不同旅客行李的式样不同,采用现有的贴标技术无法满足在行李表面贴标的要求。将机器人技术引入自动贴标领域,利用多自由度机器人代替人工完成行李标签的粘贴,可以有效提高行李的托运效率。本文基于机器人技术研究一种面向航空旅客行李的自动贴标机构。标签的有效剥离是实现标签可靠粘贴的基础,本文通过分析航空行李标签的物理特性,得出标签的技术参数,并基于薄板弯曲理论对标签的剥离过程进行分析建模,获得标签可靠剥离的最大曲率半径,为标签剥离机构的设计提供理论依据。通过借鉴全自动贴标机的工作原理,并结合机场自助行李托运的业务流程,提出机构的总体设计方案,依据机场环境以及自助行李托运设备的空间限制,设定了机构的运动参数,完成机构的详细设计,并对关键零部件进行强度校核。在贴标机结构设计完成的基础上,针对机器人自动贴标装置与行李表面接触作业的需求,为确保在行李表面参数未知的情况下标签粘贴的可靠性,研究一种基于神经网络的阻抗控制算法,在传统阻抗控制的基础上,利用神经网络补偿阻抗控制系统,消除不确定环境信息的影响,改善系统的鲁棒性。对整个机构进行安装与调试,设计自动贴标机构的控制系统,完成控制程序的编写和硬件控制平台的搭建,验证标签的剥离成功率以及标签的粘贴效果。针对实验中存在的问题进行分析,得出影响标签剥离与粘贴成功率的关键因素。

关键词： 足式机器人   液压驱动单元   力/位控制   柔顺控制  

摘要： 足式机器人是移动机器人研究领域中环境适应能力最强的一种机器人,能够在各种复杂的路面中行走,具有很高的应用价值。为了增强足式机器人在复杂地面的行走能力以及环境适应能力,本文主要对足式机器人单腿关节上的液压驱动单元进行力位控制和柔顺控制策略展开研究,主要包括以下五个部分。液压驱动单元建模与分析。液压驱动单元伺服控制的对象是液压驱动单元,主要由小型伺服液压缸、流量伺服阀、位移传感器和力传感器构成。通过计算分析出液压系统的位置控制和力控制的传递函数,构建出仿真模型,为后面的液压驱动伺服控制研究奠定基础。液压驱动单元位置控制算法与力控制算法分析。为了提高液压驱动单元的伺服控制性能,在液压驱动单元模型中加入不同的控制策略。本文针对足式机器人液压驱动单元设计了PID位置控制、模糊控制及鲁棒控制三种位置控制算法,然后设计了PID力控制和速度补偿控制两种力控制算法。通过理论计算与仿真实验来确定具体的参数,利用系统的响应速度与跟踪性能来评价控制算法的优劣,最终得到了不同算法的控制效果。建立液压单腿机器人的运动学模型和动力学模型。通过单腿机器人的尺寸与质量分布分别计算出了单腿机器人的运动学模型和动力学模型。通过单腿机器人的四连杆传动机构和直线导轨传动机构建立了关节角度和液压缸行程,关节力矩和液压缸输出力之间的关系。基于此研究了单腿机器人的运动以及受力情况,分析了液压驱动单元伺服控制性能对机器人关节运动控制的作用。关节阻抗控制分析。阻抗控制是实现柔顺控制的常用策略,通过力传感器和位移传感器实时反馈信号利用阻抗控制算法模拟出机器人关节期望的阻抗特性以达到单腿机器人柔顺控制的目的。本节主要分析了基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制两种方法。对比二者的特征并根据机器人实际应用场景选取合适的策略。液压驱动单元伺服控制和单腿机器人柔顺控制实验。分别搭建液压驱动单元实验平台和单腿机器人实验平台。验证了液压驱动单元的位置控制算法和力控制算法并进行了分析。在单腿机器人上应用阻抗控制策略以减轻外部的冲击。实验结果显示本文研究的液压驱动单元伺服控制算法有效地减小了足底的冲击力,满足了柔顺控制的要求。

关键词： 空间双臂机器人   自旋目标捕获   混合阻抗控制   协调操作  

摘要： 随着太空探索的深入,失效/退役的航天器逐年增加。由于失去姿态控制能力,在系统残余角动量的影响下,失效/退役航天器将出现旋转运动。自旋航天器不仅浪费了宝贵的轨道空间资源,还威胁着其他在轨航天器的安全,故自旋航天器的捕获需求日益迫切。空间双臂机器人可以实现对目标的精确控制与操作,有利于目标航天器的回收。但在捕获过程中,机械臂会与目标发生直接的物理接触,碰撞产生的接触力可能导致机械臂抖动或变形,还可能使目标远离捕获区域,导致捕获操作失败。考虑到目标处于自旋状态,成功捕获目标的关键是利用接触力实现其角速度的衰减。因此,在自旋目标捕获过程中,空间双臂机器人系统需要具备控制接触力的能力,即协调操作柔顺控制能力。本文的研究内容来源于航天院外协项目“空间机械臂悬停飞行器捕获控制系统研制”。本文以自由漂浮空间双臂机器人为研究对象,针对自旋目标捕获任务,开展空间双臂机器人动力学建模、不同接触模式下协调操作柔顺控制策略设计、基座姿态无扰控制优化等关键技术研究,并分别通过数值仿真和实验验证相关理论的有效性及实用性。主要研究工作如下:首先,针对机械臂末端与自旋目标之间发生固定接触的情况,研究空间双臂机器人协调操作柔顺控制方法。建立空间双臂机器人动力学模型,通过消除基座加速度项,实现关节运动和基座运动的解耦。结合目标动力学方程,构建空间双臂机器人协调操作系统的统一动力学模型,为基于动力学模型的柔顺控制提供基础。基于统一动力学模型,设计面向目标的空间双臂机器人阻抗控制算法,实现对接触力的精确控制,以保证目标转动的可控衰减。其次,针对机械臂末端与自旋目标之间发生滑动接触的情况,研究空间双臂机器人协调操作柔顺控制方法。基于LuGre模型,建立机械臂和自旋目标之间的摩擦接触动力学模型,完成接触力和相对运动的具体推导,为滑动接触情况下的柔顺控制提供基础。基于统一动力学模型及摩擦接触动力学模型,设计面向目标的空间双臂机器人混合阻抗控制算法,实现对法向正压力和切向摩擦力的解耦,保证空间双臂机器人双臂末端与目标之间具有柔顺性。针对捕获系统参数未确知情况,设计空间双臂机器人RBF网络(径向基神经网络)自适应控制算法,补偿由于系统参数误差引起的控制误差,保证捕获系统在参数未确知情况下的控制精度。然后,面向微重力情况下的目标捕获任务,研究考虑基座姿态无扰的空间双臂机器人柔顺控制优化方法。在不考虑外力的情况下,建立协调操作系统(带操作物)的线动量/角动量守恒方程,通过消除目标运动,构建空间双臂机器人基座运动方程。结合广义雅可比矩阵,完成对广义雅可比矩阵的扩维,同时实现对机械臂末端运动规律的跟踪和基座姿态的调整。建立零空间雅克比矩阵,利用关节自运动特性,采用基于粒子群算法的全局优化方法,在不影响自旋目标捕获操作效果的前提下,实现空间双臂机器人关节驱动力矩的优化。最后,针对空间双臂机器人捕获自旋目标的协调操作柔顺控制方法开展实验研究。改造微重力气浮实验平台,设计滑动接触模式下的空间双臂机器人捕获自旋目标的实验方案。对比分析实验数据,验证所提出相关算法的有效性与实用性。

关键词： 机器人抛光   柔顺控制   系统辨识   模糊PID   RBF神经网络  

摘要： 目前我国在复杂曲面零部件的精加工阶段,主要以手工抛光为主,但是手工抛光存在加工质量一致性差、加工效率低、工人作业环境恶劣以及熟练工人短缺等普遍问题,这就急需机器人自动化加工技术代替人工进行作业。然而机器人在实际抛光过程中,机器人轨迹是根据工件三维模型生成的,由于模型与实际工件之间必然存在误差,以及机器人本身位置精度问题,使得机器人实际运动轨迹和理想轨迹不一致,这就导致机器人在抛光过程中产生工件未抛或过抛现象,这时就需要通过柔顺控制,将机器人的位置控制和力控制协调起来,同时抛光接触力的大小直接决定了抛光质量的好坏,为此本文针对机器人抛光过程中的恒力控制问题,开展了机器人抛光柔顺控制方法的研究。本文简述了国内外机器人柔顺控制的主要研究方法和研究现状,结合卫浴五金件这类复杂曲面为加工对象,搭建了以KUKA机器人和力传感器为基础的机器人抛光柔顺控制系统,制定了机器人抛光柔顺控制的技术路线,建立了上位机与机器人、力传感器的通讯网络。机器人抛光柔顺控制主要用于实现机器人抛光过程中接触力的恒定,为此接触力的求解十分重要。通过建立机器人末端负载的重力补偿算法,消除重力因素对抛光接触力求解的干扰,并通过实验验证了补偿算法的有效性。在此基础上,针对不同的加工工况,提出了基于基坐标系和基于工具坐标系两种情况的接触力求解方案。机器人抛光系统的数学模型是柔顺控制的前提,本文根据系统辨识原理,分别用递推最小二乘法和卡尔曼滤波算法对抛光系统进行辨识,建立了抛光系统的数学模型。控制器的设计是机器人柔顺控制的核心,根据系统辨识得出的柔顺控制模型,引入模糊控制和RBF神经网络两种方法对基本PID控制器进行优化。利用MATLAB分别对设计的控制器进行仿真和参数调整,并实验验证了两种控制方法能够有效的实现机器人抛光过程中接触力的恒定。

关键词： 助行机器人   数学建模   人机交互   柔顺控制   模型参考自适应  

摘要： 随着年龄的增大,身体机能逐渐下降,老年人行走变得困难,特别是在人口老龄化加速的背景下,针对如何辅助老年人独立行走问题变得尤为重要。近些年,如何使用智能助行机器人辅助老年人行走的问题成为了国内外研究热点。智能助行机器人是将机器人技术与传统轮式助行器相结合辅助老年人行走的工具。而在智能助行机器人的研究中,智能助行机器人的控制策略是助行机器人能够更好地辅助用户行走的关键。针对智能助行机器人的控制策略问题,本文主要对智能助行机器人的柔顺控制展开研究。助行机器人柔顺控制目标是指助行机器人能够根据人机交互力的变化作出相应调整,从而顺从用户控制。为实现智能助行机器人柔顺控制,本文考虑将能够被用户很好控制的助行器作为参考,通过借鉴模型参考自适应控制手段实现智能助行机器人的柔顺性。本论文主要研究内容分为三部分。首先针对本论文所研究的助行机器人结构进行了详细介绍,并根据助行机器人结构,对助行机器人进行机理分析,建立了智能助行机器人的运动学模型和动力学模型。其中智能助行机器人运动学建模反映了机器人在空间运动位置的变化。智能助行机器人的动力学反映了机器人受力情况与机器人运动状态关系。为了全面考虑助行机器受力情况,分析机器人运动状态,本文将通过三视图角度分析智能助行机器人受力情况,最后将动力学方程整理成拉格朗日标准形式,来描述外部作用力与助行机器人的运动状态关系。其次通过在助行器上安装人-助行器交互信息检测传感器,构建了助行器数据采集平台,并通过上位机软件设计实现了人机交互信息与助行器运动姿态信息的监测与存储。最后对人-助行器交互信息进行详细分析,研究用户在使用助行器时的助行器运动状态变化,以便研究助行机器人如何运动,才能满足用户行走需求。最后结合模型参考自适应控制完成智能助行机器人柔顺控制器设计。在控制器设计过程中,首先对助行器进行机理分析,完成了助行机器人参考模型建立,然后采用基于梯度法自适应律完成控制器设计,最后对参考模型的正确性以及助行机器人柔顺控制算法的的有效性进行验证。通过实验结果可以发现助行机器人的参考模型具有一定的准确性,助行机器人的柔顺控制算法也是有效的。