关键词： 等电位机器人   绝缘子串   阻抗控制   瞬时模型   奇异点  

摘要： 随着柔性制造以及人机共融概念的提出,传统的工业机器人因缺乏对外界环境接触力信息的响应能力,即只能按照预先编制好的程序来进行作业,从而无法胜任新的制造任务。与此同时,新一代“协作型”机械臂由于其极高的灵活度与安全性,使机器人与人协同作业来提升柔性生产率成为可能。其中,电力领域中的带电更换电力设备作业便是协作型机械臂的潜在应用分支之一。譬如,目前对于带电更换悬垂绝缘子串工作一直是由等电位工人攀登几十米的高度来进入到传输电路的高电压、强电场中,进行绝缘子串与电缆输电线之间的卸载工作,以完成破损绝缘子串的更换任务,其危险性不言而喻。因此,本文研究工作由南方电网重点项目“带电更换悬垂绝缘子串等电位机器人研究与应用”与中国科学院重点部署项目“下一代工业机器人关键技术及系统开发(编号:kgzd-ew-608-1)”共同支持,进行带电更换绝缘子串等电位机器人的柔顺控制研究工作。首先,详细论述了新一代“协作型”机械臂的发展背景以及带电更换绝缘子串的工作现状与研究意义,通过对实际应用过程进行分析,提炼科学问题,由此来引入理论落脚点,即柔顺控制策略;在对柔顺控制策略的理论现状、应用现状以及策略分类三部分进行说明与分析的基础上,继而对本课题控制系统的控制要求与设计准则等难点进行了探讨,得出结论为:机械臂需要兼具有关节端与末端的力感知能力,并可快速有效的进行力位信息转换,由此来实现绝缘子串的安全、柔性卸载工作。其次,分别以单关节平台与六自由度机械臂为研究对象,开展了柔顺控制研究工作。其中,基于关节输出扭矩的单关节平台柔顺控制分别采用内嵌于谐波柔轮的应变电式测扭矩传感器与电机电流测扭矩两种方式来为关节端提供力感知能力,并提出了基于模糊控制的变参数柔顺控制算法,以克服过渡区域的低稳定性等问题;六自由度机械臂则利用末端六维力传感器来对末端接触力进行精确感知,在对瞬时模型以及位置控制器在奇异形位状态的位控性能进行分析的基础上,提出了一种基于混合位置控制器的瞬时阻抗控制算法,克服了目前常见的一些奇异形位低可控性与低鲁棒性等难题;并通过大量的仿真与数据分析,对此两部分工作进行了仿真验证。最后,以单关节与六自由度机械臂为物理实验平台,开展了多项物理实验研究,验证了上述所设计控制策略、理论分析与仿真的可行性与有效性;围绕绝缘子串柔性卸载问题,分别进行了基于柔顺控制的路径动态规划以及卸载流程规划等几方面的理论分析,以为后期的绝缘子串物理卸载实验奠定理论基础。

关键词： 工业装配机械臂   虚拟力观测器   滑模阻抗控制   碰撞检测   柔顺控制  

摘要： 自动化工厂装配任务程序的日益繁琐以及作业环境复杂化,导致机械臂末端执行器与环境交互过程中出现了安全、成本以及柔顺特性等问题,针对以上问题,本文以UR5(Universal Robot 5)机械臂为研究对象,对机械臂在装配任务中的柔顺装配控制方法进行了研究。本文的研究对象为六自由度机械臂,因此可以到达工作空间范围内的任意位姿,满足装配任务的基本需求。此外,机械臂的关节均为单一旋转型结构,易于建立运动学和动力学模型。通常采用在机械臂末端安装六维力传感器获取外部接触力,导致装配作业系统成本增加,为了减小成本,本文采用机械臂关节状态变量间接估计末端执行器与环境的外部接触力。由于常见的装配任务中需要满足不同方向上的位置控制和安全检测,因此碰撞检测和柔顺控制是装配任务中待解决的关键问题,同时也是本课题的研究重点。依据上述描述将论文分为三大部分进行开展如下:第一部分求解了UR5机械臂的正运动学、微分运动学,然后以运动学参数为基础推导出UR5机械臂的动能、势能、动力学方程;第二部分分析了机械臂广义动量以及关节干扰力矩,利用广义动量设计虚拟力观测器,然后根据观测估计出的外力设计动态阈值参数估计,最终完成碰撞检测;第三部分介绍了传统阻抗控制以及改进的位置内环阻抗控制,并推导了本文采用的滑模阻抗控制。最后通过MATLAB-VREP联合仿真实验结果以及实验室的UR5机械臂实验验证表明论文研究内容解决了以下问题:一是基于虚拟力观测器的接触力估计以及动态阈值碰撞检测,解决了装配任务中的成本和安全等问题;二是采用滑模阻抗控制的避碰控制策略,有效地解决了机械臂末端执行器与环境接触任务的柔顺控制问题。

关键词： 柔性并联平台   柔性铰链   力柔顺控制   阻抗控制   自适应控制  

摘要： 柔性并联平台结合了柔性铰链和并联平台的优点,广泛应用于精密工程中。但该平台中的柔性铰链一般运动范围较小并存在寄生运动,这限制了柔性并联平台的运动空间和精度的进一步提高。针对这一弊端,本文在分析传统交叉簧片柔性铰链变形特性的基础上,研究了一种具有大行程和低轴漂的变厚度交叉簧片柔性铰链,并将其应用到3-PRR并联平台上,然后针对3-PRR柔性并联平台进行力柔顺控制研究。本文首先设计了变厚度交叉簧片柔性铰链,通过有限元仿真分析了簧片的变截面系数与柔性铰链的旋转角度之间的关系,进而选择了合适的变截面系数。基于改进的Awart约束梁模型推导了变厚度簧片的载荷-位移关系,进一步建立了变厚度交叉簧片柔性铰链的力学模型,并将其结果与有限元仿真进行对比,验证本文建立的变厚度交叉簧片柔性铰链变形模型的正确性。然后将柔性铰链和3-PRR平面并联平台结合,设计了3-PRR柔性并联平台。分别通过闭环矢量法求解刚性平台的逆运动学,通过将铰链的变形方程、柔性并联平台的位移协调方程和静力平衡方程联立求解柔性并联平台的运动学模型。将刚性和柔性并联平台的运动学模型通过有限元仿真进行对比,验证了柔性并联平台运动学建模的准确性和必要性。但由于柔性平台的运动学模型求解复杂、运算速度较慢,故采用BP神经网络来求解柔性并联平台的运动学。借助激光位移传感器完成了位置控制实验,验证了位置控制的精度。最后,针对3-PRR柔性并联平台的力柔顺控制问题,首先研究了经典的基于位置的阻抗控制,设计并搭建仿真平台,通过仿真分析了阻抗参数对控制性能的影响。然后通过分析阻抗控制的稳态误差,发现了阻抗控制的局限性,通过李雅普诺夫稳定理论设计了自适应阻抗控制器,并对不同的情况进行了仿真分析。利用安装在动平台上的力传感器作为力反馈元件进行力柔顺控制实验,验证了力柔顺控制策略的正确性。

关键词： 双臂协作机器人   协调操作   运动规划   柔顺控制  

摘要： 随着近代社会文明的进步与科学技术的发展,机器人在工业生产、医疗健康、社会服务等领域不断拓展,作业环境与任务要求更加特殊化、复杂化和多样化,基本形式的单臂机器人任务环境适应性明显不足,局限性愈发凸显,人们开始采用两个甚至多个机器人以期实现单臂机器人难以甚至无法实现的功能,其中如何有效地控制双臂相互配合协调执行操作任务十分关键。本论文以双臂协作机器人作为研究对象,重点对其运动学建模、动力学建模、协调操作运动规划以及柔顺控制进行了深入研究,以期提高双臂协作机器人执行协调操作任务的能力。主要研究工作内容如下:首先,建立了双臂协作机器人的运动学和动力学模型。针对双臂机器人本体,以左臂为实验对象,利用DH坐标法建立机器人正运动学模型,采用数值蒙特卡罗法分析机器人双臂工作空间;运用Newton-Raphson迭代方法求解机器人逆运动学问题,使用奇异鲁棒性逆解决伪逆矩阵奇异问题;同时,使用牛顿欧拉递推方法推导动力学求解算法,建立机器人的动力学模型。其次,研究了双臂协调操作的运动规划方法。双臂之间采用主从方式进行工作,在单臂机器人运动轨迹规划及运动学模型的基础上,分析双臂协调操作的运动约束关系,建立双臂闭链运动学模型,保证从臂跟随主臂运动效果;此外,分析了常见包围盒模型,构建机器人各关节椭球包围盒模型进行避碰规划,确保双臂无碰撞进行协调操作。再次,研究了双臂协调操作的柔顺控制方法。在双臂机器人动力学模型的基础上,分析双臂协调操作的动力约束关系,采用主从式双臂的力位混合控制方法,分别设计了位置控制律和力控制律,在主从臂运动跟踪基础上增加从臂末端力的控制,提高了机器人系统柔顺性。最后,开发了双臂协调控制软件模块,搭建了三维可视化仿真环境以及实验操作平台,针对课题研究内容设计了相关的任务实验,通过仿真验证后进行协调操作任务物理实验,采集并分析实验过程中双臂各关节及末端运动数据,验证所提出方法的正确性和有效性。

关键词： 仿人手臂   人工肌肉   柔顺控制   抓取规划  

摘要： 当前机械臂技术从刚性本体非本质安全、与人非接触及物理空间隔离的现状正朝着柔性本体本质安全、与人紧密协调合作及同一自然空间的人机共融新趋势发展。传统电机、液压等刚性驱动存在功率密度比低、质量大、柔顺性和安全性差等缺点，而新型人工肌肉柔性驱动具有功率密度比高、结构简单、柔顺性和安全性好、类似人体骨骼肌特性等优点。因此，基于人工肌肉柔顺驱动研制轻质、灵活、柔顺、安全、低成本的仿人手臂，可以推动机械臂技术朝着与人共融的新方向发展。然而，人工肌肉材料响应慢、易疲劳、稳定性差，存在强迟滞、蠕变等非线性因素使得难以对其进行建模与控制，人工肌肉固有的柔顺性对仿生关节及仿人手臂系统的控制也带来了新的挑战。本文针对以上问题展开深入研究，主要内容包括人工肌肉主动建模与控制，仿生关节力与刚度控制，以及仿人手臂柔顺控制与抓取规划。具体研究内容如下:　　首先，针对形状记忆合金和气动人工肌肉的强非线性、迟滞和时变特性造成难以建立精确模型及设计高性能控制器的问题，提出了基于主动模型的控制方法。根据形状记忆合金和气动人工肌肉的物理特性和驱动机理分别建立其数学模型，并将由外部扰动、时变参数以及未建模动态引起的不确定性造成的模型差引入到系统的状态方程中，利用联合估计技术对包含模型差的系统状态方程进行在线估计，同时估计出系统状态和模型差。基于在线更新的主动模型设计自适应控制器及其补偿控制策略，来提高对形状记忆合金和气动人工肌肉的控制性能。　　其次，针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题，建立了一种新的PAM等效弹簧模型以及关节力与刚度模型，设计了一种双输入双输出控制器。PAM拮抗关节系统数学模型复杂且难以精确描述时变的实际系统，关节位置、力和刚度高度耦合，这都给关节力和刚度独立控制带来很大困难。而基于PAM等效模型建立的关节力和刚度模型可以实现对力和刚度解耦，进而由双输入双输出控制器实现对它们的独立控制。以此为基础，通过引入位置PID前馈环建立位置与力的关系，还可以实现对关节位置和刚度的独立控制。　　最后，针对被动柔顺性的不可控制性和主动柔顺性的过于依赖反馈控制的问题，提出一种主、被动柔顺性相结合的控制策略，将人工肌肉固有的被动柔顺性与基于控制的主动柔顺性相结合，实现仿人手臂与人或环境的安全交互。研制了一款基于人工肌肉的仿人手臂系统，设计无模型自适应阻抗控制器对仿人手臂进行了柔顺控制实验。另外，基于单目视觉开展了仿人手臂抓取物体实验。实验验证了所研制仿人手臂系统的综合性能以及所提出方法的有效性。　　本文的工作依次从驱动、关节及整个手臂系统三个层面对基于人工肌肉的仿人手臂技术进行了深入研究，为当前机械臂技术所面临的安全性、轻量化及低成本的挑战提供了一条新的解决思路，为后续实现仿人手臂与人共融提供了一定的理论基础和技术支撑。

关键词： 柔顺控制   阻抗控制   导纳控制   力位混合控制   运动控制   恒力打磨   高通量测试设备  

摘要： 本课题出自于国家863项目《耐磨蚀组合涂层等离子熔射制备及表征技术》的子课题耐磨蚀组合涂层快速检测设备的开发,目的是实现对多阵点涂层样品阵列多参数高通量式测试打磨。其难点在于如何保证打磨过程中机械末端快速平面移动且高速旋转状态下的多级恒力控制。本文的主要内容是恒力控制也就是柔顺控制算法关键技术研究和针对本课题控制系统的搭建及实现过程。首先,研究了基本的阻抗控制、导纳控制和力位混合控制策略。以平面两关节机器人为研究对象,在Matlab中,根据机器人模型运动学和动力学基础,分别对阻抗控制和导纳控制展开了仿真工作。通过调节惯性参数、阻抗参数、刚性参数,分析二者在自由空间和接触空间下的位置跟踪和力跟踪响应效果。通过实验发现导纳控制与力位混合控制反应曲线相似,并从原理上对这一现象进行了理论分析。最终得出,就我们的课题而言,阻抗控制难以忽略摩擦力的影响,导纳控制由于阻尼滤波器存在滞后或者误差放大的影响,不如力位混合控制中PID力控制的表现效果更为快速。接着,针对本课题进行了控制系统搭建。主要从方案设计,设备选型,硬件系统搭建,局部机械结构改进,控制系统人机界面的设计,下位机运动控制程序设计进行了介绍。秉承总线式开放式的原则,选用四轴龙门式磨床搭配基于Codesys的合信运动控制器通过EtherCat总线完成项目要求,并设计可夹持多样点阵列具有防偏心载荷的工作台。然后以Windows环境下的WPF开发了功能完备的人机界面,包括通信、实时数据显示、手动示教、参数设定、自动编程、文件管理、三维仿真、误差补偿等功能。包括力位混合控制在内的所有运动控制算法通过下位机具体实现,还包括通信、文件操作、I/O信号读取、巴特沃斯陷波器配合卡尔曼滤波的模拟量信号读取、PD参数调节、误差补偿等功能。最终实现多阵点涂层样品阵列多参数快速稳定的恒力打磨。

关键词： 柔顺精密定位平台   伺服控制系统   改进PID   降噪处理  

摘要： 随着社会的发展和科技的进步,人类的研究范围逐渐进入微观领域。微定位技术的研究进展直接决定了微观领域的发展水平,因此开展微纳米定位技术研究,可以有效地推动集成电路、航空航天、生物医疗、精密装配和特种加工等科技领域的不断进步。目前主流的微定位技术是利用柔性定位平台结合伺服控制系统来实现,因此微定位技术的进步依赖柔性定位平台的结构设计和伺服控制技术的研究。本文根据微定位伺服系统要求实现的性能指标,在实验室已有的研究成果—柔顺精密二自由度定位平台的基础上,为其设计了配套的伺服控制系统。首先介绍了柔顺精密定位平台的设计原则和工作原理,并对其主要构成模块进行静力学分析,对平台的单自由度运动进行动力学建模,然后完成定位平台的材料选取、样机加工和固有频率测试实验。其次,为微定位平台设计切实可行的闭环控制方案,对控制系统中的关键设备进行选型,并根据音圈电机的工作原理对其进行数学建模。再则,为微定位伺服控制系统设计合适的解耦控制策略,分析传统PID控制算法存在的不足并结合微定位平台的控制要求提出改进措施,对改进后的控制算法进行仿真验证并说明其在LabVIEW中的实现方式。最后,分析了随机噪声对伺服系统的影响,为微定位伺服控制系统设计了完整的接线及接地方案,并在此基础上,通过过采样均值滤波方法进一步降低系统噪声,完成了微定位平台的阶跃响应实验、位移分辨率实验及双轴联动实验。

关键词： 机械臂   轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 21世纪以来，机器人技术随着人工智能，计算机方向的崛起而受到了广泛的关注。可以说本世纪将会是机器人的时代，是先进机器人技术的时代。随着机器人技术的爆发，机器人将走进各种环境和场所，广泛的与人接触，成为人们可靠的帮手。同时，机器人的出现也改变了人们的生活，颠覆了人们的认识。由于存在大量机器人相关题材的艺术作品，机器人已经成为媒体行业的宠儿以及家喻户晓的存在。同时，大量研究者投身机器人事业之中。　　由于机械臂运动具有灵活、快速，机械臂受到各行各业的重视并投入使用到制造业、服务业、餐饮业等行业。因此，机械臂也从以传统的加工制造任务为核心过渡为非结构环境的灵巧操作。由此也提出了新的问题。机械臂与环境的强交互问题是近年来的研究热点。机械臂是一个非线性系统，同时环境通常存在约束，机械臂在执行操作任务时往往需要满足这些约束条件。由于机械臂在与人或环境交互过程中环境的动力学是不确定的，而且传感器的测量信号存在噪声。机械臂可能在操作时会面对环境力突变，环境存在约束等情况，增加了控制机械臂的难度。因此本文围绕机械臂与环境交互和操作问题为核心展开了如下几个方面的研究：　　(1)为了实现机械臂运动学建模，详细地研究了刚体的位姿表达及计算，采用修正DH法对机械臂正运动学进行建模。为了实现机械臂在笛卡尔空间操作任务的完成，研究了机械臂的运动学建模方法，针对机械臂奇异点运动速度过快的问题使用最小阻尼平方法对机械臂进行逆运动学建模并使用条件数作为接近奇异点的判断指标对阻尼的参数进行优化。　　(2)针对机械臂在笛卡尔空间操作任务研究了机械臂的轨迹规划算法。根据机械臂姿态矩阵的特殊结构，使用李群及指数积的相关概念，推导机械臂笛卡尔空间位姿轨迹的公式。同时，为了保证机械臂运动的平滑性，引入S型曲线作为轨迹规划的时间标度，设计机械臂笛卡尔空间轨迹规划算法。通过仿真对比实验说明该算法可以实现机械臂笛卡尔空间位置和姿态的平滑运动。　　(3)针对机械臂与环境的交互问题研究分析了柔顺控制算法及作业约束的概念。对Voigt和Maxwell两种典型的动力学模型进行分析总结。根据动力学模型的特点与机械臂人机交互的特点设计了使用Maxwell模型作为机械臂与环境交互的动力学模型的导纳控制算法。通过实验平台与传统导纳控制算法进行对比，证明了Maxwell模型在人机交互上的优势，保证了人机交互时用户的舒适程度。　　(4)利用上面设计的控制算法针对受约束物体进行操作实验，通过实验可以证明控制算法在对环境和约束未建模的情况下完成操作任务，同时保证了环境与机械臂的安全。　　综上所述，本文的研究工作实现了机械臂在受约束物体操作问题上的柔顺控制，扩大了机械臂的使用场景和应用范围，为实现机械臂在非结构环境下实现复杂灵巧操作做出了贡献。

关键词： 自适应控制   柔顺力控制   边界能量算法   阻抗控制  

摘要： 阻抗控制方法是有效的机器人接触控制方法,但是该方法只能在预估的环境参数范围内保证系统的稳定性。针对这一问题,该文提出一种新的自适应边界能量(Energy Boundary Method-EBM)方法,通过在线估计控制参数提高系统整体性能,保证系统的稳定性。在该控制方法下,系统在与超出预估范围内的不确定环境相接触时,仍可保持期望的稳定接触力,同时具备较强的鲁棒性。为证实该方法的可行性及有效性,以气液联控柔顺力控制系统为例,进行理论及仿真研究,理论性能及仿真结果分析证明了该方法的有效性。

关键词： 机器人抛磨   被动柔顺   力/位混合控制   位姿补偿   非线性PD控制  

摘要： 为了实现抛磨系统机器人末端的位置控制和接触力控制,提出一种基于被动柔顺装置的机器人抛磨系统力/位混合控制策略.在机器人末端安装一个柔顺装置实现对工具末端力控制和位置控制的解耦.柔顺装置一端安装于机器人末端,另一端连接抛磨工具.机器人控制器控制机器人末端位姿,间接对工具末端位姿进行控制和补偿,柔顺装置控制器直接控制工具与工件的接触力.经过建模分析,采用非线性PD(比例-微分)控制提高了柔顺装置的动态调节性能.仿真结果证明该方法可以对目标轨迹进行跟踪与补偿,并实现期望力的快速调节.非线性PD控制将柔顺装置受干扰后恢复稳定的调节时间由220 ms提高到60 ms.实验进一步验证了仿真结果,并通过对航空叶片进行打磨与抛光获得了良好的表面质量.结果表明提出的控制方法是切实可行的.