关键词： 主动柔顺控制   直接示教   力/力矩传感器   工业机器人  

摘要： 为了实现机器人的直接牵引示教功能,对机器人直接示教问题进行了研究,在ER6C60工业机器人上开发了基于拖曳的机器人直接示教系统。机器人直接示教系统采用了基于位置调整的主动柔顺控制方法,能够通过力/力矩传感器检测操作者的示教牵引力,将力坐标变换后的力信号转换为机器人末端执行器位置的调整量,实现了机器人的顺应性跟踪控制。上位机采用基于VC++的网络编程实现了机器人直接示教功能。实验结果验证了机器人直接示教系统的有效性和通用性。

关键词： 工业机器人   末端执行器   六维力传感器   柔顺控制  

摘要： 随着工业机器人应用越来越广泛,工业机器人被要求具有更高柔顺性的示教功能。提出一种柔顺示教的控制方法,以常用的20公斤级的工业机器人为研究对象,通过六维力传感器采集力信息,经过柔顺控制算法和基于位置的力位控制算法结合控制机器人,实现柔顺示教功能。先介绍了柔顺示教的硬件平台结构和软件结构,建立一个柔顺示教控制的模型,并利用该模型设计一个柔顺示教的控制算法,最后将笔作为机器人末端执行器并在白纸上画图案以验证示教的柔顺性。实验结果表明通过该柔顺示教控制,操作者可以对机器人末端执行器自由拖动,实现柔顺示教的功能。

关键词： 机器人   液压驱动   单腿跳跃   柔顺着地  

摘要： 为缓解液压驱动足式机器人动态步态行走时着地瞬间足端冲击对机器人系统及其运动控制的影响,提出了一种基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法。以液压驱动单腿跳跃机器人为研究对象,分析机器人足端着地冲量,通过选择合适的机器人着地姿态和减小机器人着地前足端速度实现机器人柔顺着地,为此在空中相进行余弦速度曲线关节运动轨迹规划,以及着地相进行余弦函数关节运动轨迹规划。将该方法分别应用于基于MATLAB/Simulink软件建立的仿真模型和试验样机进行单腿竖直跳跃控制实验,仿真和试验结果显示采用该方法的机器人跳跃控制消除了足端着地瞬间地面作用力在膝关节液压缸无杆腔形成的液压冲击,实验结果表明提出的基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法合理可行。

关键词： 阻抗控制   幕墙安装机器人   柔顺操作   力控制  

摘要： 为了提高幕墙安装机器人操作的柔顺性,从而真正解决建筑幕墙自动安装中人机协调的问题,采用自适应阻抗控制方法作为柔顺操作策略.依据建筑机器人物理模型建立了较为准确的阻抗控制模型,在机器人末端未接触运动空间和环境接触空间进行了自适应阻抗控制的研究,提出了通过减小力峰值防止幕墙破坏的控制参数的调整方法,借助MATLAB对控制系统进行了仿真,并对基于该算法的幕墙安装机器人进行了柔顺性操作实验.经过仿真和实验得到了适用于幕墙安装机器人的力控制算法,验证了自适应阻抗控制算法能够满足幕墙安装机器人柔顺性操作的要求.

关键词： 爬壁机器人   端口网络   无源控制   无源观测器(PO)/无源控制器(PC)   柔顺控制  

摘要： 基于单端口网络的无源性理论,建立机器人吸附足与叶片壁面的端口网络系统,给出触力柔顺控制所需的无源性条件;设计无源观测器能量观测算法,无源控制器根据系统能量变化预测值和触力反馈值,修正吸附足位置。在Matlab/Simulink中的Sim Mechanics搭建的三自由度爬壁机器人仿真测试平台和实物样机测试平台上开展无源性控制实验。仿真和样机实验结果一致表明,所设计的算法可将触力控制在稳定吸附阈值和冲击阈值内,实现足壁触力的无源柔顺。

关键词： 液压足式机器人   冲击力   被动柔顺   主动柔顺  

摘要： 在足式机器人运动过程中,柔顺性控制能有效减少足端触地冲击力,提高环境适应能力。被动弹簧常被用来实现机器人与环境柔性接触,但不能有效吸收剩余冲击能量。主动柔顺能够根据环境不同而调整末端刚度与阻尼,却由于冲击力作用时间很短,对执行器的响应速度有较高的要求。试验发现将主动柔顺控制与被动柔顺相结合,可弥补上述不足,并实现机器人柔顺性触地。在单液压执行器系统中验证了这种方法的有效性,将此控制策略应用在四足机器人单腿系统,得到了同样的效果。通过分析单自由度执行器系统,总结所提柔顺性控制器参数设计原则,进而为四足机器人整体柔顺性设计提供依据。

关键词： 阻抗控制   柔顺控制   电动静液作动器(EHA)   力控制   鲁棒控制  

摘要： 阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。

关键词： 工业机器人   直接示教系统   柔顺控制   硬件设计   软件开发  

摘要： 机器人是“中国制造2025”的重点发展领域之一，随着国家战略性新兴产业的提出，工业机器人作为智能制造领域的代表，在产业转型升级的过程中正发挥着越来越重要的作用。为了使工业机器人执行搬运等工作任务，需要对其进行示教或者离线编程。针对传统的通过操作示教盒移动六轴工业机器人到达指定位置，效率低，过程复杂的问题。本文以Ethernet作为通信总线，将嵌入式系统引入六轴工业机器人的顺应性跟踪控制中，开发了一套基于柔顺控制的六轴工业机器人直接示教系统。\n 首先，针对传统的示教方式对操作人员的相关知识储备要求比较高、示教效率低、过程复杂的问题，以经典的柔顺控制算法作为研究的理论分析基础，设计了针对直接示教过程的柔顺控制器。同时为了减小跟踪误差，提出了一种轨迹预测算法，能够较准确的计算出外界施加的力的方向，使工业机器人末端沿着该方向做出相应的调整，从而可以获得平滑的牵引运动轨迹，实现了人与工业机器人的柔性互动。\n 其次，为了解决现有的直接示教系统基于PC机做反馈数据的分析与处理，整个系统看起来庞大而复杂而且不易移植使用，响应时间过长的问题。首次将基于嵌入式系统的树莓派引入六轴工业机器人的直接示教系统中，对6个方向的力信号进行处理，建立了一套满足所设计的的柔顺控制器性能要求的硬件系统。将硬件系统分成了直接示教控制系统执行机构、直接示教系统感知模块、信号及数据处理三个子系统。在软件设计方面，对系统内硬件的通信进行设计，通讯基于工业以太网Ethernet进行数据交换，有效地控制了响应时间。在树莓派与机器人控制器内分别编写程序，实现了所设计的柔顺控制器的执行过程与力方向感知算法。同时，设计了重力补偿算法，用以补偿力传感器自重以及机器人抓手等工具的重力影响，减小了力传感器的感知误差。\n 最后，为了保证系统的可靠性与准确性，对直接示教系统进行仿真与实验研究。在robcad软件中建立了直接示教系统模型，并对该模型进行了仿真分析。按照预先设计的实验操作方法与步骤进行顺应性跟踪实验，通过对不同方向的牵引实验结果数据以及与传统顺应性跟踪实验数据进行对比分析，证明了本文基于柔顺控制模型所建立的直接示教系统跟踪轨迹更加平滑，系统响应时间更短。同时，设计了一种集环境感知，动态决策等功能于一体的工业机器人智能识别系统来验证通过直接示教方式所得到的轨迹，为机器人的智能应用提供了新的方法。

关键词： 步行机器人   速度正反馈   力控制   变阻抗控制   柔顺落足  

摘要： 步行机器人以其良好的运动能力和多样的运动步态而展现出极强的复杂地形适应能力,具有广阔的应用前景。复杂地形环境下的稳定行走是步行机器人运动控制研究需要解决的根本问题,其关键和难点是对机器人与环境柔顺接触的控制,对于步行机器人来说也就是柔顺落足控制。本文主要研究了基于主动变阻抗的液压驱动步行机器人柔顺落足控制问题,研究内容包括步行机器人关节液压作动器输出力控制、落足过程中仿生腿变阻抗控制律的设计、变阻抗控制器的稳定性分析以及柔顺落足控制器性能评价等。实验结果证明了所设计的主动柔顺控制器的优越性能和应用价值,主要取得了以下研究成果:1、通过推导与分析液压作动器输出力模型发现,输出力模型中存在负载速度的自然反馈,负载速度自然反馈限制了力闭环控制系统的带宽,影响输出力的跟踪性能。为消除负载速度对输出力跟踪性能的影响,在力闭环PI控制器中引入了负载速度反馈环节和系统补偿项,实现液压作动器在末端自由条件下对2Hz正弦信号的精确跟踪。2、基于上述负载速度反馈液压作动器输出力控制器,设计了主动变阻抗柔顺落足控制器用以减小步行机器人运动过程中的落足冲击力,柔顺落足控制器包含有限状态机、足端轨迹规划以及主动变阻抗控制律三个部分。基于足底接触力信息和系统时间构建的有限状态机将机器人的落足运动划分为摆动期、落足期以及支撑期三个落足相,针对不同落足相的特性和控制目标分别采用了相应的控制律。采用多项式插值法规划的足端轨迹保证了在落足时刻、抬腿时刻足端相对于地面速度为零,最大程度上提高落足的柔顺性。落足相变阻抗控制参数参考人体行走过程中腿部阻抗的变化特性,以模仿生物运动的柔顺特性。最后通过构造合适的Lyapunov函数证明了柔顺落足控制器的稳定性。3、搭建了液压驱动单腿测试平台,利用所设计的变阻抗柔顺落足控制器设计完成了连续柔顺落足和连续柔顺弹跳实验。将实验结果同生物(猎狗)运动过程中足底所受到的冲击力进行对比发现,所设计的变阻抗柔顺落足控制器在减小足底冲击力实现柔顺落足方面展现出优越的性能和应用价值。

关键词： 人机协作   关节臂力感知   柔顺控制   意图识别   角色分配  

摘要： 协作型机器人已有20余年的发展历程,目前无论在军事、航天、康复医疗、护理,还是在工业、生活等领域都展现了非常广泛的应用空间。该类机器人在人机协作搬运与装配、肢体康复训练、机器人辅助行走等具体应用中,要求具有良好的力感知、意图判断与动作决策能力,以保证协作过程中的安全性、柔顺性与高效性。然而,当前的人机协作系统,受皮肤传感器等力检测装置发展不成熟、合作者阻抗参数难以估计、人机角色固定等因素限制,使得发生于机器人关节臂处的接触信息检测困难,合作者意图估计受限、人机主动权难以动态调整,这些因素造成协作安全性降低、操作灵活性差、合作者易疲劳、机器人运动振动、协作效率低下等问题。为此,本文一方面提出了一种依据机器人控制扭矩、关节速度等本体信息实时估计发生于关节臂处的接触信息的力感知方法,另一方面从意图识别与人机角色分配角度对协作中机器人的柔顺控制问题进行了深入研究与探索,以期实现机器人关节臂触觉检测和柔顺控制的目的。主要研究工作和创新如下:机器人与环境(合作者或外物)间接触力的获取为确保协作中人机安全、制定控制策略等工作提供了重要信息,因此机器人首先要能够快速、准确感知与环境发生的接触信息。目前以作用力为交互信息的人机协作中,通常采用一维或多维力传感器安装于机器人末端的方式来获取接触信息,关节臂无触觉不但存在碰撞安全隐患,而且使合作者无法通过在关节臂处施加作用力完成协作任务,极大的限制了人机协作的操作灵活性。又考虑到当前皮肤传感器不成熟、机器人关节处集成力传感器复杂等因素,本文提出了一种依据机器人控制与运动状态信息,基于动量观测与优化算法相结合的关节臂接触信息在线估计方法。该方法将接触位置估计问题转化为优化算法有界搜索问题,搜索范围由动量观测方法确定的接触关节臂长度确定,两种方法的结合保证了估计的精度和实时性。仿真与实验结果表明该方法实现了在线、实时、准确地估计发生于除第一关节臂以外的任何关节臂处的力和位置信息。为了实现机器人的柔顺控制,需要赋予机器人一定的合作经验。本文通过分析生物体识别意图的方法与过程,提出了一种基于机器学习识别合作者意图的方法。建立了径向基神经网络模型,对机器人进行意图识别离线训练,使其具有一定的合作技能,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建立人机协作模型困难,人体阻抗参数难以估计等缺点。实验结果证明该方法提升了人机协作的运动同步性,减小了合作者作用力的同时,机器人柔顺性得以改善。针对人机协作中角色动态分配问题,本文从实际幕墙安装任务出发,提出了基于增强学习的在线角色自适应分配方法。首先充分分析了合作任务在不同阶段的理想表现,结合机器人与合作者的各自特点,建立了综合合作表现模型,并将其与学习方法中的回报值相结合,实现了在线学习方法在人机协作系统中角色分配方面的应用。在学习过程中,该方法能够根据合作表现模型不断在线调节合作角色,逐渐形成合作者与机器人对于系统的主/被动控制权调整规则,使系统的综合表现不断得到改善。该方法不仅可以快速实现面对新任务时人机角色自适应,还能充分发挥合作者和机器人的各自优势,是一种在理论和实际中均有重要意义的新方法。本文以人机协作中机器人关节臂力感知与柔顺控制为研究主线,内容涵盖了发生于机器人关节臂处的接触信息估计、合作者意图识别、机器人与合作者角色动态分配等人机协作中的关键技术。建立了有效的机器人关节臂触觉感知方法,改变了传统仅靠调整柔顺控制参数改善机器人柔顺性的思想,拓展了柔顺控制方法的研究领域。本文的研究工作有利于会思考、会决策机器人研究的进展,推动了协作型机器人朝着智能化方向发展,促进了人机协作的研究进程,具有一定的理论与现实意义。