关键词： 柔顺控制   工业机器人   力/位控制   重力补偿   航天器  

摘要： 针对航天器大部件装配需求,给出一套基于力/位控制的机器人柔顺装配方法。基于装配界面作用力方向及机器人工具坐标系方向,实时计算用于力/位控制的笛卡尔坐标系。为避免力控制过程中的机器人抖动,设计了力与机器人速度的“S”型关系曲线。针对自由空间力控制、销钉导向等典型应用需求给出了力/位控制策略。针对机器人负载发生变化情况下的界面分离问题,对机器人在装配不同阶段下负载的质量特性进行预先测量,在界面分离时进行负载质量特性参数的切换,实现对应负载的重力补偿,并采用柔顺控制方法释放待分离界面的作用力,最终实现界面安全分离。试验结果表明,采用所设计的力/位控制方法,在工件安装的各主要过程中,工件可以稳定顺应外部约束,最终安装到位,在界面分离阶段,所述方法可以有效释放界面作用力,实现界面安全分离。

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。

关键词： 并联机械手   分拣   PLC   组态王  

摘要： 采用三菱FX系列PLC实现对柔顺并联机械手在药用玻璃瓶分拣过程中的控制,通过对PLC的I/O配置和梯形图控制程序设计,实现药用玻璃瓶的在线自动分拣,利用组态王软件对分拣过程进行监控,构成完整的柔顺并联机械手控制系统。

关键词： 机器人   柔顺控制   力控制   位置控制  

摘要： 简述了机器人力控制发展历史以及研究现状,分析了现有的主流力控制策略:阻抗控制、力/位混合控制、自适应控制和智能控制。进一步阐述了主流控制策略的优缺点以及实用性,指出了力控制所面临的问题,即位置伺服、鲁棒性和未知环境对力控制的影响以及力传感器的精确反馈问题,提出了智能控制必然是机器人力控制的发展趋势。

关键词： 液压伺服控制   柔顺驱动器   自抗扰控制   补充能量控制  

摘要： 在大型足式机器人的驱动系统中,使用液压柔顺驱动器进行补充能量控制可以极大地提高机器人的续航能力,因此具有很强的实用价值。首先通过扫频的方式分别得到驱动器输出端空载状态位置频率特性曲线和输出端静止状态力频率特性曲线,然后通过MATLAB的ident系统辨识工具箱进行模型辨识得到较准确的驱动器数学模型。基于上述模型采用自抗扰力控制器,实时估计扰动及对其进行有效的补偿,取得了较好的力控制效果,进而通过力控制将液压缸等效为变刚度弹簧。建立液压柔顺驱动器中液压能、驱动器能量和热能三种能量的动态模型,并对简化运动过程中三种能量之间的转换规律进行分析。基于变刚度策略对运动过程进行了补充能量控制,提高了能量使用效率。不同负载质量和不同液压缸刚度情况下的水平方向运动试验结果验证了上述控制策略的有效性。

关键词： 轻型柔顺机械臂   结构设计   串联弹性驱动器   位置跟随性  

摘要： 为了使机械臂具有较好的位置跟随性和人机交互时的安全性,设计了一款3DOF的轻型柔顺机械臂.采用碳纤维材料实现轻量化,设计了串联弹性驱动器(SEA)实现机械臂结构的柔顺性.建立了3DOF轻型柔顺机械臂的运动学和动力学模型,并求解了工作空间;设计机械臂的位置控制实验,通过MTI位姿传感器来获取机械臂末端位姿,提出了MTI位置误差修正的方法.实验表明:当机械臂处于自由状态时,通过对比机械臂各关节和MTI末端位置的跟随性能,得知1,2,3各关节的位置跟随误差分别为7%,5%,2%,末端X,Y,Z3个方向的最大位置误差分别为19.25%,14.43%,6.4%,证明该机械臂末端具有较好的位置跟随性.

关键词： 草莓采摘   机械手   刚柔混联   动力学分析   柔顺控制  

摘要： 针对草莓形状不规则、组织娇嫩,容易受机械损伤,难以实现高效低损的机械化采摘作业的问题,提出一种刚柔混联的机械手结构。为了建立柔顺伪刚体模型,将柔顺构件等效为具有欠驱动关节的多刚体串联系统;采用影响系数法建立柔顺构件等效多刚体系统的动力学模型,对机械手柔性构件的动力学特性进行仿真分析与样机试验研究。仿真和试验结果表明,采用力反馈的刚柔混联机构具有良好的包络性、可控性、平稳性及速度特性,适合于草莓的柔顺抓取控制,该成果可为草莓等果蔬无损采摘机械手的设计及优化提供借鉴和参考。

关键词： 磨削机器人   恒力跟踪控制   柔顺控制   模型预测控制   阻抗控制  

摘要： 制造业是我国经济发展的重要支柱产业，从2015年提出“中国制造2025“战略计划以来，机器人在过去的三年里高速增长。随着工业的进步，需要磨削零部件复杂度的增加和对质量要求的提高，机器人在磨削领域得到了广泛应用。但是，现在磨削机器人的应用还主要依靠点点示教的方式进行，大大的降低了工作效率。而磨削机器人在磨削行业中没有实现到高度自动化的一个重要原因就是带环境约束的机器人接触力控制方法的不成熟。因此带环境约束机械臂的接触力控制成为机械臂现在一个十分重要的研究方向。本文针对未知连续曲面的磨削过程中恒力跟踪控制中具有超调、控制精度差和动态响应速度慢的问题进行了研究，主要的研究内容和成果如下:\n 1.针对机械臂对未知连续曲面恒力跟踪具有较大超调的问题，提出了一种基于模型预测控制算法和曲面预测方程的曲面恒力跟踪方法。首先给出了受环境约束的机械臂离散、线性化的动力学模型;分析了机械臂末端和环境的力作用方式;设计了曲面预测方程，结合已走过的轨迹位置信息和力信息对未来的曲面位置进行估计;设计了基于模型预测控制算法的受约束机械臂轨迹跟踪力源控制方法;然后让机械臂根据该方法对估计的曲面位置进行力源跟踪。最后在仿真中控制机械臂追踪未知连续曲面，证明了机械臂对未知连续曲面作业时所提算法力控制的实时有效性，在保证控制精度的前提下，有效的抑制了超调问题，提高了系统对曲面变化的鲁棒性。\n 2.受启发于弹性驱动器的工作原理，设计了一款主动弹性力控机构串联至机械臂末端用于提高机械臂曲面力跟踪的精度。首先给出了所设计末端的三维结构图和实体图;然后分析了机构的力源控制模型和不同刚度弹簧对控制结果的影响;最后通过仿真和实验，与传统的被动柔顺控制相对比，证明了该机构较传统被动柔顺控制方式更好的提高了机械臂末端接触力的恒力跟踪精度，减小了机械臂柔顺力控制对机械臂位置控制精度的要求。\n 3.针对机械臂与环境接触时恒力跟踪时动态响应速度慢的问题，基于位置控制的阻抗控制方法和遗传算法，提出了基于实时优化遗传算法的阻抗控制方法。在研究过程中，首先对比了阻抗控制中三个阻抗参数对机械臂末端接触力的影响;然后根据提高机械臂恒力跟踪的响应速度和控制精度的性能指标，改进用于离线优化的遗传算法的交叉、变异和计算适应度值等操作算子的处理方式，实现了对阻抗控制方法中的参数进行实时优化;最后通过simulink和S-函数进行仿真。结果表明，和传统控制方法相比，该方法可以在保证控制精度的条件下，提高了机械臂与环境接触力的动态响应速度，并具有较小的或者没有超调量。

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。