关键词： 主动柔顺   轴孔装配   六维力传感器   手眼标定   力/位耦合  

摘要： 大口径部件精密装配是航空航天、汽车制造、船舶等多个智能制造领域重要环节之一,现阶段该方面的理论研究和实验验证研究较少。随着国家新旧动能转换人工智能战略部署,对装配精度要求从米级缩小到了毫米级,装配作业空间跨度逐渐增大。对装配位姿的精确定位以及装配过程中精密部件与外界环境接触力检测和控制成为了大口径精密部件自动化装配的重要环节。本文针对大口径精密部件柔顺装配过程中的装配力控制存在的技术问题展开研究。对装配过程中可能出现的每种状态进行分析,设计了一套主动柔顺装配控制系统,本文主要内容和贡献如下:(1)轴孔装配过程中寻孔阶段通过深度相机进行手眼标定,CAD模型离线建模,对轴孔边缘特征提取,粗略定位轴孔位置,并对位置进行标定。规划机器人运动路径,实现轴的中轴线与孔的中轴线基本平行。(2)机器人法兰末端安装六维力传感器,对不同负载装配下传感器受力分析。针对外界环境对传感器力反馈信息存在的扰动情况,提出了重力补偿和负载自身系统误差标定的方法来精确检测实际接触力。(3)分析轴与孔的每种接触状态以及不同接触状态下的接触力,在每种接触状态算法设计的基础上,提出了基于力/位耦合控制策略的主动柔顺自动化装配方法。(4)设计人机交互界面,该界面中包含力传感器的监测状态,消息提醒窗口,有利于开发及操作人员自由控制并避免对工件造成损伤。该装配系统具有视觉定位、力觉反馈及集成控制等功能,基于力/位耦合控制策略的大口径精密部件主动柔顺装配力控制系统可行性及算法的正确性得到了很好的验证,论文的研究成果为我国智能制造领域自动化装配提供了可借鉴经验和技术。

关键词： 动力学建模   导纳控制   柔顺控制   轴孔装配  

摘要： 随着装配机器人技术的不断发展,越来越需要机器人完成一些与环境接触力有着极高的控制要求的任务,例如抛光、打磨、孔轴装配等。利用机器人实现自动的环境柔顺性控制作业,不仅能避免装配零件之间过大的接触力,还能增加机器人作业时在不精确的目标环境下的适应性,降低对位置精度的控制成本。由于目前国内工业装配机器人大多执行单纯的位置控制操作任务,针对力接触主动柔顺控制的应用,例如装配及擦拭等工业作业,仍然存在应用性不高等问题,大多未投入到实际工业使用中。因此,主动柔顺控制系统的研究与应用是实现智能控制亟待解决的重要问题。本文利用导纳控制实现了基于位置的力反馈综合控制,研究并搭建了基于主动柔顺控制的机器人装配系统,主要工作内容如下:首先,分别建立并验证了机械臂的运动学和动力学模型。在机械臂运动学建模基础上,仿真验证了运动学模型的正确性。针对出现的反解结果不唯一且解析解对任意构形的机器人不具有通用性等问题,提出一种新的基于退火-梯度下降混合算法的机械臂运动学反解算法,解决了反解过程中奇异性和冗余度等问题;在动力学模型方面,对比分析了机器人的动力学模型和ADAMS三维动力学仿真模型,提出了通过修正的数学补偿模型来拟合动力学方法存在的误差,提高动力学模型的精度,为控制系统的稳定控制提供了有效的理论基础。其次,根据柔顺控制原理,在位置PD控制基础上,分别引入不同的外环柔顺控制算法,将直接力反馈、阻抗控制和导纳控制分别进行对比分析,分析各参数对控制指标的影响,使用交叉验证的方法总结了各柔顺控制算法的控制效果。根据控制算法存在的缺点,引入动态S型衰减因子,分别基于修正量和运行时间各提出一种修正的导纳控制模型,解决了导纳控制模型不能同时满足较小稳态误差和较小超调量的问题,实现了对导纳动态控制的有效调节,具有较强的稳定性。针对两种修正模型,分别分析了其突变发生可能性和参数可控性,合理分析了两种修正模型的利弊,实现对模型的修正。再次,针对轴孔装配过程,开展轴孔装配策略研究。分析轴孔装配过程的数学模型,将装配过程分成寻孔和装配两个阶段,在寻孔阶段根据接触力与接触力矩的正比关系,设计了一种基于等效力臂的变步长寻孔方法,解决孔的对中问题,加速寻孔过程;在轴孔装配阶段,分析基础受力模型并模拟装配过程的运动状态,然后提出了轴孔装配控制策略。最后,根据控制策略搭建主动柔顺控制系统实验平台,开展柔顺性实验验证工作。设计并搭建了主动柔顺控制系统的硬件结构、软件框架及通信系统,分别进行了三维任意力作用下跟随运动实验、末端沿着不同刚度及不同形状斜面运动的柔顺环境适应性实验和柔顺控制插孔实验,有效验证了所提出的柔顺控制算法和轴孔装配策略。

关键词： 助力外骨骼   动力学模型   柔顺控制  

摘要： 传统助力外骨骼由于缺乏柔顺性导致外骨骼跟随人体协调运动的能力较差。本论文对助力外骨骼柔顺控制方法进行了综述,创新地建立了一种下肢助力外骨骼的模型,并在此基础上提出了一种适用于助力外骨骼全阶段运动的柔顺控制方法,并将该算法应用于助力外骨骼负重行走的控制中。主要创新工作如下:搭建了一种下肢助力外骨骼模型,并推导得出综合了外骨骼自身以及外骨骼与人体之间接触力的动力学方程。传统的外骨骼模型结构非常复杂,并且对人机力在外骨骼运动上产生的影响考虑不足。因此本文分析正常人自然行走、起立蹲下、上下楼梯和上下斜坡四种情况下身体姿态变化过程,建立起各运动过程的简化模型,并结合实际系统上人体穿戴的方式建立了多点接触的人机弹簧阻尼模型。在上述下肢助力外骨骼模型的基础上,本文提出了一种助力外骨骼全阶段柔顺控制算法。该控制方法的核心思想就是只对膝关节进行主动驱动,该驱动力矩由通过模型估计的重力补偿力矩加上通过脚底压力估计的惯量补偿力矩组成。该算法的先进性在于不需要像传统助力外骨骼对不同步相分开进行控制,同时解决了目前助力外骨骼普遍基于动力学模型而引起的严重依赖于模型精确程度的问题。本文所设计的外骨骼全阶段柔顺控制算法可以应用于负重助力外骨骼,提升用户的负重行走能力。

关键词： 去毛刺机器人   3D打印技术   柔顺控制策略   阻抗导纳控制模型   轨迹修正  

摘要： 随着工业自动化技术的进步发展,机械工件人工去毛刺方法已经难以满足日常生产的需要,如何快速便捷的解决实际生产过程中机械工件毛刺去除的工作成为了人们的研究焦点。目前较为普遍的做法是在工业机器人基础上进行二次开发,但是由于工业机器人其价格较为昂贵且开发难度大,大多数生产商难以负担,使得我国自动化去毛刺技术水平相对较低。因此,研究一种新的自动化去毛刺技术,使其代替工业机器人二次开发的方法,对满足我们目前的实际生产需要具有十分重要的意义。本文在充分调研国内外去毛刺技术的发展现状后,通过对3D打印技术相关原理进行分析,研究末端执行器在笛卡尔坐标系下的空间直线插补算法以及运动轨迹生成方法,提出了一种基于3D打印技术的桌面级去毛刺机器人设计方案,充分利用二者在机械结构、进程管理、运动规划和电机驱动等方面相同点,大大节省了自动化去毛刺设备的研发成本和周期。本文深入探讨了机械工件外表面毛刺的物理特性,通过建立去毛刺切削力的数学表达式,研究去毛刺切削力与刀具进给位移之间的关系,通过调整刀具进给过程中轨迹参数,解决机械工件毛刺去除质量的问题。通过分析基于位置的阻抗导纳控制模型,设计针对刀具去毛刺过程中进给位移的闭环控制策略,以机械工件的标准轮廓线为初始轨迹,通过检测切削过程中阻抗力的数值大小,将其与期望阻抗力做差值运算,经过反馈控制得到进给位移修正量,使得去毛刺刀具与工件毛刺棱边保持跟随状态,实现去毛刺机器人柔顺控制。在完成理论研究的基础上,设计对比实验获得期望切削力数值以及阻抗控制模型参数,通过实验验证去毛刺机器人设计的合理性。实验结果表明,基于3D打印技术的去毛刺机器人可以满足大多数作业环境,同时本文提出的柔顺控制策略可以有效提高机械工件加工后的表面质量和效率。

关键词： 康复机器人   干扰观测器   摩擦力估算   意图识别   柔顺控制  

摘要： 神经康复机器人逐渐成为国内外的热门课题,实时意图检测是康复机器人更好地理解与之交互的患者意图,并与患者进行自适应交互的关键技术之一,是实现智能化康复的基础。常用的意图检测技术有基于脑电、眼电、肌电的意图检测,也有基于人体行为比如手势、姿势、脸部表情的意图检测。前者被认为是基于生物电信号的意图识别技术,其中尤以脑电因直接与脑神经的认知活动相关联被认为是最有价值的一项前沿技术引起了科学家们的重视。但考虑到检测成本和信号处理的复杂度,作者所在课题组应用肢体末端的生物力学特性捕捉使用者动作意图取得了一定的成果,研究者们通过与肢体末端接触的多维力传感器检测到的“力”信息中分离出人的运动意图,然后通过自适应控制技术调整驱动电机的输出电流达到与运动意图相适应的柔顺交互效果。无力传感器的估算方法对降低设备成本,提升系统响应和控制精度上有其重要的实际意义,本研究通过理论建模、并结合干扰观测器(Disturbance observer,DOB)估算设备运动过程中的摩擦力,有效解决了工程实际中运动摩擦力的检测问题,而将检测到摩擦力进行建模反向补偿到DOB,就能剥离出人机交互系统中人对设备施加的外力,从而判断脑卒中病人的意图,实现对运动意图的求解。论文主要内容如下:(1)上肢康复机器人动力学建模;对上肢康复机器人系统进行了动力学建模,通过系统的动力学模型确定干扰观测器中的标称模型。(2)干扰观测器设计与仿真;介绍了干扰观测器的基本原理,对设计的干扰观测器和基于摩擦力补偿和重力补偿的交互力观测器进行了仿真对比实验。(3)摩擦力模型参数辨识;对常见摩擦力的数学模型进行了介绍,结合干扰观测器(DOB)估算了系统摩擦力,对摩擦力进行建模,有效解决了工程实际中运动摩擦力的检测问题。(4)上肢康复机器人中的运动意图求解。基于估算的摩擦力计算肢体末端运动意图,消除了摩擦力对于运动意图求解的影响,通过分析意图的“力”信息,从而对上肢康复机器人中的运动意图进行求解。本成果对机器人技术领域中的“力”控制研究与应用具有同样参考价值。

关键词： 机械臂   力/位置混合控制   柔顺控制   工作原理  

摘要： 机械臂模拟人臂,其在执行任务过程中会与外界环境相互接触。为了让机械臂作业达到良好的效果,需对机械臂同时进行力和位置的控制。对机械臂力/位置混合控制算法的研究做简单综述。

关键词： 下肢康复机器人   肌电信号   运动解析   变阻抗控制   主动柔顺  

摘要： 近年来,随着人口老龄化不断加剧,以老年人为主的慢性疾病患者急剧增多,尤其是中风等脑血管疾病已成为危及人类生命主要疾病之一。中风导致的神经损伤若不及时治疗会引起严重的运动功能障碍。现有的医疗资源和康复设施紧缺,康复医师承担着巨大的工作压力。康复机器人可以代替康复医师完成肢体辅助运动,减轻康复医师工作负担同时保证训练强度和康复效率。但是,现有的康复机器人大多采用被动式训练方法,主动康复训练技术尚不成熟。在主动康复训练中,康复机器人通过人体运动解析进行柔顺控制是实现人机交互控制的关键。由此,如何实现人体运动实时解析以及主动柔顺控制成为康复机器人主动训练中亟待解决的两大问题。本论文的主要工作如下:首先,简化卧式下肢康复机器人机械结构,建立人机系统正逆运动学模型;基于人体参数回归方程和人体简化模型建立下肢动力学模型;分析主动训练中人机交互特点并建立主动模式下人机系统动力学模型,为下肢康复机器人主动柔顺控制奠定基础。其次,针对运动意图实时定量识别问题,以表面肌电信号(surface Electromyography,sEMG)产生机理与特点为基础,提出一种基于sEMG的下肢运动解析方法,进而生成与人体运动意图同步的期望轨迹:引入相干性分析法,定量描述sEMG和关节角度耦合关系,进而优化选取肌肉通道;采用一阶递归滤波器补偿sEMG和关节角度的机电延迟(the Electromechanical Delay,EMD);提出基于黄金分割的最小二乘极限学习机算法,缩短训练和预测时长;最后,通过实验验证了所提方法的有效性。再次,为了使得康复机器人主动控制过程更加自然、舒适,提出基于sEMG反馈的变阻抗控制模型从而实现康复机器人主动柔顺控制。构建sEMG与阻抗系数非线性函数,建立基于sEMG和人机交互力的变阻抗控制模型,进而调整期望轨迹并生成目标参考轨迹;提出滑模迭代学习控制器(Sliding Mode Iterative Learning Controller,SMILC)抑制重复干扰和异常扰动,实现对目标轨迹的稳定跟踪。基于matlab/simulink建立控制仿真模型,对所提出的控制方法进行仿真验证,结果证明了所提方法的可行性和有效性。最后,搭建卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验平台,包括信号采集系统,下肢运动解析系统,康复机器人控制系统。将本文方法应用于实验平台中,验证了本文所提控制方法的有效性。

关键词： 足式机器人   液压驱动   阻抗控制   灵敏度分析   动态刚度   动态柔顺性   复合控制  

摘要： 液压驱动型足式机器人每条腿有多个主动自由度,每个主动自由度一般均安装一个高集成性的液压驱动单元,液压驱动单元可大幅提升机器人各关节的功重比,有助于提升机器人整机的运动性能和负重能力。特别是其与柔顺控制相结合,可有效缓解外界刚性冲击,又有助于保证机器人机身结构和附带的电气设备不受破坏。但液压驱动单元引入的同时,带来了强非线性、参数时变性和负载复杂多变性等一系列液压系统的共性问题,这些问题使各关节的高精度高响应和机器人柔顺控制难度加大。若能从根本上解决机器人腿部液压驱动系统的柔顺控制问题,将有助于促进液压驱动型足式机器人加快走出实验室,加速其产业化发展进程。本文旨在解决足式机器人腿部液压驱动系统的最佳柔顺控制问题,重点开展以下研究工作:(1)研究腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制实现方法。建立足式机器人腿部液压驱动系统数学模型,涵盖机械结构建模、运动学建模、动力学建模以及液压驱动单元位置及力控制系统建模;研究适用于腿部液压驱动系统的基于位置及力的阻抗控制方法,搭建控制方法的非线性仿真模型,在多工况下对比分析两种阻抗控制方法的控制性能;搭建腿部液压驱动系统性能测试实验平台、腿部液压驱动系统负载模拟实验平台及液压驱动单元性能测试实验平台,在多工况下实验测试两种阻抗控制方法控制性能,验证仿真结果,分析控制效果。(2)研究腿部液压驱动系统基于位置及力阻抗控制参数灵敏度特性。推导精度较高的二阶矩阵灵敏度分析方法,在多工况下进行基于位置及力阻抗控制的12个参数灵敏度动态分析;设计两种灵敏度衡量指标,量化灵敏度动态分析结果;利用正交试验方差分析方法,研究不同工况下各参数灵敏度变化规律;利用腿部液压驱动系统性能实验平台与腿部液压驱动系统负载模拟平台,进行灵敏度分析实验验证。(3)研究腿部液压驱动系统动态柔顺性控制原理。当系统分别采用基于位置和基于力的阻抗控制方法时,进行液压驱动单元的动态柔顺性分析,研究两种阻抗控制内外环所具备的动态刚度串并联构成;通过腿部机械结构运动学与动力学分析,把液压驱动单元的动态柔顺性控制方法延伸应用到腿部液压驱动系统;利用腿部液压驱动系统性能实验平台与腿部液压驱动系统负载模拟平台,实验验证两种阻抗控制方法对腿部液压驱动系统动态柔顺性控制的效果。(4)研究液压驱动单元基于位置及力的阻抗内环复合控制方法。针对腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制,提出改善液压驱动单元控制性能的整体控制策略;针对内环抗干扰问题,研究基于位置及力的阻抗控制的内环动态刚度补偿控制方法;针对内环控制跟随性能问题,研究位置及力控制系统输入误差补偿控制方法,并与内环动态刚度补偿相结合,形成基于位置及力的阻抗内环复合控制方法;应用液压驱动单元性能测试实验平台,实验验证控制方法的控制效果。(5)研究腿部液压驱动系统的最佳阻抗复合控制方法。分析各关节液压驱动单元不同阻抗控制的控制效果,匹配各关节阻抗控制;在多工况下实验研究不同方案时腿部液压驱动系统柔顺控制性能,最终给出一种腿部液压驱动系统的最佳阻抗复合控制方法。

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。