关键词： 工业机器人   柔顺控制   运动学建模   雅克比矩阵   Speedgoat半实物仿真系统  

摘要： 随着工业机器人技术的发展,人们对协作机器人的需求越来越迫切。为实现机器人与人的协作,机器人的控制方式必须从单一的位置轨迹控制向位置和力的协同控制方向发展,柔顺控制技术是协同机器人控制的关键技术。论文在陕西省重点研发计划项目“工业机器人柔顺操作关键技术”的支持下,主要针对项目中柔顺控制机器人机械结构设计、运动学及动力学建模以及控制系统构建等技术开展研究,具有重要的工程应用价值。论文的主要内容如下:本文根据柔顺操作的功能需求,采用冗余自由度机械臂构型设计方法,设计了 7自由度柔顺机械臂本体,对设计中的构件设计、力学计算、电机选型等关键问题进行了分析,并通过ANSYS对所设计的机械臂进行了分析和校核。在所设计的机械臂机械结构的基础上,基于D-H模型建立了该机械臂的运动学模型,推导了机械臂的正、逆运动学方程,建立了描述关节空间到操作空间速度映射关系的雅克比矩阵,基于拉格朗日法建立动力学模型,并对机械臂的运动性能进行了仿真分析,为运动控制和轨迹规划奠定了基础。本文选用Speedgoat半实物仿真系统作为机械臂的控制系统的开发工具,通过MATLAB simulink软件设计了相应的控制模块,实现了机器人的运动控制和状态反馈,并通过MATLAB simulink软件中的Simulink Real-time Explorer 模块设计开发了机械臂的人机交互界面,实现了机械臂的状态、坐标位置等信息的显示和数据的采集以及机械臂的运动控制操作,为后续柔顺控制算法的研究奠定了基础。在所设计的机械臂控制系统的基础上,通过机械臂的直线、圆弧等运动控制实验,获得了机械臂空间运动轨迹曲线和各电机的运动曲线,验证了论文研究的正确性,并对机械臂运动精度和平稳性的主要影响因素—摩擦力—进行了研究,通过对摩擦力的辨识,建立了系统的摩擦模型,通过速度前馈实现了摩擦的补偿,将由摩擦引起的反向跃冲从原来的0.07°,降低到了 0.05°,提高了机械臂运动的精度和平稳性。本文开发了柔顺机械臂样机,研究了机械臂的运动学正、逆解算法和基本运动控制算法,构建了机械臂控制系统,并建立了人机交互界面,实现了机械臂的运动控制,通过摩擦补偿提高了运动的精度和平稳性,为进一步研究机械臂的柔顺控制策略奠定了基础。

关键词： 机械臂   阻抗控制   位置/力跟踪   RBFNN   速度观测器   反演法  

摘要： 机械臂作为一种先进、高效的控制装置已经在各个领域中得到了广泛的应用。随着当前机械臂所面临的工作任务愈加复杂,仅采用位置控制已经不能满足实际工作的柔顺需求,如何有效提高在存在系统建模误差和外部干扰下机械臂的柔顺性已经成为了一个严峻的挑战。本文将以阻抗控制方法为基础,重点研究了含有不确定性的刚性关节机械臂处于自由运动或与环境接触时的位置/力跟踪控制问题。由于机械臂系统中存在不确定性以及末端执行器与环境接触时产生的接触力超调可能造成系统不稳定,论文第三章采用基于位置阻抗控制方法,将控制器设计为力阻抗控制外环和位置跟踪控制内环。在外环中,将PID控制方法与阻抗等式相结合,对机械臂末端接触力进行PID补偿,以实现快速消除力跟踪误差,并有效减小力超调。在内环中,考虑机器人运动学参数不确定性,采用自适应雅克比方法对不确定雅克比矩阵进行估计;然后,构造一个自适应径向基函数神经网络(RBFNN)对系统中的不确定项以及雅克比矩阵的估计误差进行逼近,RBFNN的逼近误差和外部扰动由鲁棒项来补偿。基于Lyapunov稳定性定理,保证了整个闭环系统的稳定且所有信号有界。最后,通过与传统自适应阻抗控制方法对比,验证了所提方法具有更好的位置/力跟踪性能。针对机械臂关节速度信息未知的情况,论文第四章首先设计了一个非线性速度观测器对机械臂的关节速度进行估计,并采用自适应方法来补偿系统的模型不确定项以提高观测器性能;基于Lyapunov稳定性定理,保证了所设计观测器的观测误差全局渐近收敛到零。然后,对传统阻抗关系进行改进,使得机械臂可以同时工作在自由空间和接触空间;根据关节速度信息的估计值,提出了一种基于自适应RBFNN的位置/力跟踪阻抗控制器,其中RBFNN对系统中的不确定项进行逼近以提高位置和力的跟踪精度,鲁棒项用来补偿RBFNN的逼近误差和外部干扰。基于Lyapunov稳定性定理,保证了整个闭环系统的稳定性。最后,仿真对比实验验证了该控制方案的可行性。考虑实际应用中电机驱动的关节机械臂系统,论文第五章在机械臂系统模型中加入了电机动态模型,并假设机械臂关节速度信息是未知的。首先构造了一个RBFNN自适应观测器对系统的未知关节速度状态信息进行估计。然后,在第四章的基础上,考虑到机械臂电机电压与驱动力矩之间的关系,提出了一种基于自适应RBFNN的反演(Back-stepping)阻抗控制方案,RBFNN用来补偿机器人系统和电机模型中的不确定性。基于Lyapunov稳定定理,证明了所设计的观测器和控制器都是稳定的。最后,仿真结果显示了所提方法的可行性。

关键词： 空间机械臂   在轨装配   柔顺控制   无视觉反馈  

摘要： 针对空间机械臂在轨装配中避免刚性碰撞的需求和缺少视觉反馈的问题,提出一种无视觉在轨柔顺装配方法.首先给出一种基于阻抗控制的柔顺控制器,使机械臂末端运动能够体现出期望的"质量—弹簧—阻尼"的动力学特性.在此基础上,提出一种不依赖于视觉反馈的装配方法,能够自主探寻装配孔并完成装配,该方法简单有效,在装配过程中无需视觉信息,解决了在轨操作中关键的自主寻孔问题.最后通过地面实验验证柔顺控制方法的有效性.本文所提出的方法具有较强的工程价值和应用前景,能够为空间操作和在轨服务提供技术基础.

关键词： 阻抗控制   模糊控制   机械臂   柔顺控制  

摘要： 针对基于传统阻抗控制的工业机械臂与外界环境柔顺性差的问题,本文以典型的二自由度工业机械臂为研究对象,分析了各个目标阻抗参数对工业机械臂末端接触力的影响,提出了模糊阻抗控制算法。根据拉格朗日方程建立了二自由度工业机械臂的动力学模型,并借助于MATLAB/SIMULINK平台进行仿真。依据末端执行器当前位置与环境位置的关系以及运动速度,利用模糊控制器给出了各个目标阻抗参数的补偿量,使得末端执行器随着环境的变化而得到不同的阻抗参数。仿真结果表明:该算法能有效地控制机械臂末端与环境的接触力,提高了机械臂的柔顺性。

关键词： 足式机器人   不平整地形   阻抗控制   主动柔顺控制  

摘要： 为实现足式机器人在不平整地形下的稳定行走,提高机器人对不平整地形的适应能力,提出一种主动柔顺控制方案,包括基于关节空间的主动柔顺控制、机身姿态柔顺控制和关节PD控制。根据足式机器人运动学模型设计平地步态,作为机器人不平整地形下前进的主步态;通过采用基于关节空间的主动柔顺控制方法和机身姿态柔顺控制方法,生成关节角度和角速度修正量,进而得到腿部关节跟踪指令;利用虚拟样机技术对多种地形进行仿真,仿真结果表明采用提出的主动柔顺控制方法提高了机器人对不平整地形的适应性。

关键词： 康复机器人   柔顺交互控制   逐次逼近矢量场   FFT频谱分析  

摘要： 为了实现康复机器人的主动柔顺交互,提出了一种基于矢量场逐次逼近的控制模型;设计了矢量场逐次逼近系统,可输出机器人关节期望位移,该输出能与输入的扭矩、表面肌电及脑电等信号在振幅、频率和相位上保持同步,且通过调节遗忘因子参数值,可改变主动柔顺交互的积极性;利用自行设计的穿着型下肢康复机器人样机进行柔顺辅助实验,以验证所提出控制模型的有效性;通过FFT (Fast Fourier transformation)频谱对机器人关节扭矩的组成成分进行了分析,并采用基于最小二乘法的参数辨识方法实施了重力补偿,以便康复机器人实时控制.实验结果表明,该控制模型对于实现康复机器人与人之间的柔顺交互是有效的.

关键词： 多自由度   机器人   机械手腕   关节   柔顺控制  

摘要： 针对传统机械手腕关节控制方法稳定性低和灵活性差的弊端,提出一种新的多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法。介绍了多自由度机器人关节系统,按动力学系统组建机械手腕关节的动力学模型,采用拉格朗日方法获取动力学方程。介绍了PD手腕关节位置控制方法,在此基础上通过改进纯积分力控制方法实现多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制。分析了机械手腕关节混合位置/力矩控制过程,通过差动机构控制两个驱动器,使其完成机械手腕关节外展/内收和伸展/翘曲两个自由度,提高机械手腕控制灵活性。实验结果表明,所提方法控制精度和稳定性高,能够保证机械手腕关节的灵活性。

关键词： 机器人安全性   自身安全性   交互安全性   结构设计   柔顺控制  

摘要： 随着机器人逐渐应用于生产生活的各个领域,安全性也成为了机器人研究的重要方向之一。根据安全性研究目标对象的不同,分别从机器人自身安全性和交互安全性两方面概述了国内外研究现状,分析了机械结构与控制算法对提高机器人安全性所起到的作用。在此基础上,分析了目前研究还存在结构设计过于传统、对突发情况判断能力较弱、复杂条件下控制柔顺性不足等问题,限制了机器人的推广应用。指出了机器人安全性的研究正向着刚柔混合一体化机构、准确快速的环境判断、良好的柔顺控制的方向发展。