关键词： 视觉伺服   力控制   自适应控制   未知约束参数  

摘要： 机器人是时变、强耦合的动态非线性系统,因而在机器人控制过程中常常会受到环境不确定性等因素带来的影响,并且随着应用领域的扩展和智能化要求,传统的以位置控制为主的控制方式很难满足复杂环境的要求,而基于视觉和力觉的机器人研究,是提高机器人系统灵活性、可靠性和智能性的重要手段,是机器人研究热点之一。因此在环境不确定等因素下进行基于视觉和力觉机器人自适应柔顺控制研究具有很重要的意义。本文采用Eye-to-Hand的单目视觉伺服结构,结合机械臂末端的力觉传感器,在约束环境刚度不确定等复杂约束条件下进行视觉/力觉自适应柔顺控制研究和探讨。首先,进行机械臂末端在未知约束表面上的运动分析,运用视觉/力混合控制模型,分别进行独立控制的建模及理论分析。在力控制方向上采用基于位置的阻抗力控制方法,设计了阻抗力控制器,并推导出稳态力误差方程,以及阻抗参数的调整原则。在视控方向上结合视觉伺服技术实现基于位置的PID控制。然后,采用耦合误差补偿算法,结合视觉位置控制量以及力觉位置修正量,形成最终的混合控制策略,驱动机器人末端以达到实际位置跟踪期望值。其次,针对经典阻抗力控制对未知约束环境上适应性的不足,根据Lyapunov稳定定理设计了自适应阻抗控制器,并推导出了参数的调整规律,间接调整系统中的阻抗参数,实现了系统在未知刚度环境下接触力控制的能力,提供了系统的自适应性能和抗干扰性能。针对耦合误差补偿中的耦合因子,采用模糊控制进行调整,简化了算法的复杂计算过程同时也具有较好的控制性能。最后,对论文理论进行针对性的相关实验,通过实验分析比较,验证理论分析的正确性。

关键词： 绳牵引并联机器人   运动学   刚度   主动柔顺控制  

摘要： 绳牵引并联机器人是一类绳索取代刚性连杆作为关节的新型并联机器人,其具有结构简单、重构性强、重量轻、工作空间大、成本低等优点。本文对绳牵引并联机器人的研究现状进行了调研和总结,将三自由度绳牵引并联机器人作为研究对象,对该机器人的运动柔顺控制技术展开研究。根据调研资料和实际情况,搭建了三自由度绳牵引并联机器人的实体样机。针对样机的结构特性建立了机器人的几何模型并对其进行了运动学分析,得到了位置运动学模型。同时由于样机中的绳索具有单向受力性,所以对绳索进行了刚度分析,得到了绳索的刚度模型,便于对因受力而发生形变的绳索进行补偿。为了实现样机的运动柔顺控制,本文研究了绳牵引并联机器人的轨迹规划算法和主动柔顺控制方案。在样机中,绳索作为关节,其本身有一定的柔性,因此样机的主动柔顺控制方案会有所不同。本课题中主要利用了样机的结构矩阵,设计出了符合样机结构特性的柔顺控制方案。最后通过样机实验以及软件仿真验证了文中算法、模型、方案的正确性和可行性。

关键词： 工业机器人   运动控制   力位混合控制   联合仿真  

摘要： 随着机器人应用领域的不断扩展和对机器人智能化要求的不断提高,以位置控制为主的传统控制方案已经不能满足某些复杂环境(打磨、组装、康复机器人)的应用需求,机器人与环境间力位混合控制既能够控制机器人末端按照期望的轨迹运动,也能够对接触力的期望值跟踪控制,实现了机器人在复杂环境下的柔顺控制。本文以通用六轴串联工业机器人为研究对象,对其运动学和动力学进行建模、仿真和分析,并建立了该类型机器人的ADAMS虚拟样机。其次,对机器人运动控制做了深入研究,包括关节空间中的轨迹跟踪方案和位置控制方案以及任务空间中的轨迹跟踪控制方案,在关节空间中的控制方案采用直线轨迹规划以及T型速度规划得到实时关节变量的插补值,并通过牛顿-欧拉算法实时计算出各关节的驱动力矩以驱动机器人运动,且机器人模型会实时反馈关节变量达到跟踪控制的目的;在任务空间中的控制方案中将机器人末端姿态表示成轴角对形式并将姿态和位置合成一个广义量,其余操作同关节空间控制方案设计流程类似。然后,对机器人力位混合柔顺控制方案进行了研究,该方案是在任务空间控制方案的基础上添加了力控方案,并通过选择矩阵进行力和位置之间的切换,实现力位混合控制。最后,通过MATLAB/SIMULINK和ADAMS联合仿真验证本文所提方案的有效性及可行性。

关键词： 液压足式机器人   串联弹性驱动器   主动柔顺控制   力伺服  

摘要： 足式机器人行走只需离散的支撑点而具有强大的环境适应能力,这在野外探险和军事行动方面独具优势,甚至可以替代人类从事危险繁杂的工作,具有广阔的发展前景。液压驱动具有功率密度大、抗干扰能力强、响应快以及能允许有较大的冲击和过载等优点,使其可以满足足式机器人大负载、高功率密度比以及动态性能等方面的需求。足式机器人在与地面进行瞬间碰撞所产生的冲击力会影响机器人运动稳定性,严重时会破坏机器人机体和关键零部件,因此实现机器人的柔顺控制势在必行。而单纯的主动柔顺或被动柔顺均不能模拟出人或者其他动物肌肉所表现出来的柔顺性、适应性和抗冲击能力,因此本文将液压伺服单元的主动柔顺控制与串联弹性驱动器(SEA,Series elastic actuator)的被动柔顺相结合,实现大范围变阻抗和快速响应负载变化的柔顺控制功能。本文以单关节的柔顺控制为研究核心,围绕SEA与液压驱动单元相结合的单关节实验平台的设计,系统的力伺服特性的分析,单关节基于力的阻抗控制模型的建立等展开如下研究:在串联弹性驱动器(SEA)的结构基础上,结合液压驱动单元,设计单关节实验平台,并通过试验验证其结构的合理性;对阀控非对称液压缸的模型进行分析,利用油压传感器测量液压驱动单元的正反向摩擦力并进行控制补偿,建立液压驱动单元结合SEA的力伺服系统的各环节的数学模型,得到其传递函数,并建立其系统的Simulink仿真模型并进行仿真分析。通过分析阻抗控制的控制策略,建立单关节实验平台的基于力的阻抗控制模型,构建其Simulink仿真模型并进行仿真;在QNX系统的基础上,以PC104嵌入式系统为核心,搭建单关节实验平台的控制系统,给出其控制程序的软件架构,提出基于力的阻抗控制的具体算法,并绘出基于力的单关节阻抗控制的程序流程图。为研究单关节实验平台基于力的阻抗控制特性,搭建对顶实验平台,建立其基于力的阻抗控制模型及其Simulink仿真模型并开展仿真分析,提出其阻抗控制的控制算法和具体实现形式;在此基础上,在单关节实验平台上进行基于力的阻抗控制实验,通过实验验证其结构本体和控制算法的合理性。

关键词： 柔顺抓捕   姿态同步   组合体   惯量不确定  

摘要： 随着卫星技术的不断发展,空间目标抓捕变成一个备受关注的问题。而对空间非合作翻滚目标直接进行抓捕容易使机械臂受力过大,导致机械臂损坏。因此采用了柔顺抓捕策略,即抓捕前跟随抓捕目标运动,并在抓捕后使得组合体停止旋转。而本文主要对柔顺抓捕过程中的姿态控制问题进行研究,分为姿态同步以及组合体姿态控制两部分。主要内容包括以下几个部分:首先,本文给出了参考坐标系的定义,对比分析了欧拉角和四元数姿态描述方法,并建立了四元数描述的相对姿态运动学与动力学模型以及组合体相对姿态运动学与动力学模型。其次,在模型确定的情况下,姿态同步任务中使用了基于Lyapunov理论的非线性反馈控制方法,而组合体姿态控制部分则使用了SDRE次优控制方法,并利用θ-D方法对其进行解算,并进行了力矩限幅。通过仿真分析了两部分任务控制律的有效性,同时说明θ-D方法解算的SDRE次优控制律在向量限幅的情况下也能使系统稳定。最后给出了抓捕航天器在整个过程中的姿态角速度和控制力矩曲线,把两部分任务结合到了一起。最后,在考虑惯量不确定且存在外界干扰的情况下,本文把惯量不确定性和外界干扰当成复合干扰处理,给出了一种有一定适用性的复合干扰上界估算方法,使用了滑模变结构控制方法进行控制律设计,在仿真分析时考虑了无法估计上界以及不确定性变大这两种情况,仿真结果说明了设计的滑模变结构控制律能有效的抑制惯量不确定性和外界干扰组成的复合干扰,具有很强的鲁棒性。同样的最后把两部分任务结合到了一起,给出了抓捕航天器在整个过程中的姿态角速度和控制力矩曲线。

关键词： 仿海蟹机器人   螯足   结构设计   柔顺控制  

摘要： 随着海洋开发的快速发展,针对浅滩环境的水文监控、动植物观测、能源开发和军事部署等方面的研究日渐成为科研热点,因此对具备作业能力的两栖机器人需求也越来越多。作为一种浅滩两栖生物,海蟹利用它的螯足可以在陆地和海底环境中完成御敌、捕食和辅助行走等“作业任务”。本文以海蟹的螯足为原型,研制一对可以搭载在仿海蟹机器人上的螯足,并完成理论分析和实验研究。通过对海蟹螯足的生理结构和运动特征分析,把海蟹的两个螯足简化为两个同构的三自由度开式链机构。依据仿海蟹机器人的应用环境、作业内容和搭载平台等方面的要求,提出仿海蟹机器人螯足的结构设计方案,包括驱动方式、关节结构、密封方案和关键零件等方面的确定。其中关节采用直流力矩电机加谐波减速器的驱动方式,各关节独立密封,提高了整机的可靠性。采用D-H法推导了仿海蟹机器人单螯足的运动学正逆解和雅可比矩阵,利用MATLAB/Robot工具箱验证了运动学求解的正确性。采用拉格朗日法建立仿海蟹机器人单螯足的动力学方程。首先对陆地环境的动力学方程进行推导和简化,依据切片理论推导水阻力矩和附加质量力矩的表达式,进而建立单螯足在水环境中的动力学模型。采用蒙特卡洛法对动力学方程进行了仿真计算,分析了水环境对螯足运动的影响。对两个螯足协调作业的约束问题进行了阐述。针对两个螯足搬运同一个物体时构成的闭链系统,研究了其中的位姿关系、速度关系和加速度关系。对两个螯足的共同工作空间进行了仿真计算,同时也研究了两个螯足的避碰检测问题。为了解决仿海蟹机器人螯足与环境接触时的力冲击问题,本文采用了主动柔顺控制方法。对螯足位置控制问题进行研究,在此基础上建立基于位置控制的阻抗控制模型。对单个螯足的阻抗控制进行仿真研究,分析目标阻抗参数对螯足柔顺特性的影响。完成仿海蟹机器人螯足样机的研制,并搭建实验平台。进行了单关节的打压实验和负载能力测试,验证了结构设计的合理性。为了验证各关节的跟随性能,进行了位置控制实验。完成了单螯足的阻抗控制实验,验证了目标阻抗参数和环境刚度对于螯足柔顺特性的影响。分别进行了双螯足夹持物体实验和单螯足目标物抓取演示实验,从而验证了螯足的作业性能。

关键词： 柔顺控制   摩擦力辨识   运动学   阻抗控制  

摘要： 近年来,人-机器人协同来完成复杂工作,已经成为当前产业升级的迫切需求,其关键技术也成为研究热点。其中,如何保证人的安全即机械臂要具有一定柔顺性,是最为重要的技术问题。基于此,本文以7自由度串联机械臂为研究对象,针对其冗余运动分析和解算、力矩反馈、阻抗控制等问题进行研究。首先,本文介绍了协作型机械臂的国内外研究现状。主要综述了目前已有协作型机械臂系统以及所运用的柔顺控制方法。针对为机械臂增加冗余运动和柔顺能力,提出了本文的主要研究思路和内容。其次,通过分析7自由度机械臂冗余运动特性,提出了一种针对S-R-S构型机械臂的运动学正解和反解方法。此外,对机器人单关节力矩估计方法进行深入研究,主要应用摩擦力前馈方式。研究了其中的难点问题:电流-扭矩动力学建模,并对摩擦模型进行选取和辨识。然后,将基于力的阻抗控制方法应用于7自由度机械臂上,并分析了控制系统性能以及各个参数的对系统的影响。最后,综合以上方法,在7自由度机械臂平台上进行实验验证,并设计了手动牵引应用范例。验证了本文所提出方法可行性,而且具备一定应用前景。为后续研究提供必要理论探索和技术经验积累。

关键词： 柔性铰链   柔顺机构   偏摆微动台   静力学   动力学   微动控制  

摘要： 微定位和微操作系统是很多先进仪器装备中的基础部分之一,系统中可实现超高分辨率和定位精度的微动机构是其关键零部件。偏摆微动台是可实现精确对准或指向的一类微动装置,其在半导体制造、激光工程、量子电子学、微器件装配及光学望远镜等领域具有重要应用。近年来,偏摆微动台对运动分辨率及定位精度的要求已进入微纳米级,基于柔性铰链的柔顺机构成为开发高精度偏摆微动台的重要途径。本文在国家自然科学基金及江苏省产学研项目的资助下,以提高柔顺偏摆微动台的定位精度和稳定性为目标,通过开发新型柔性铰链及优化位移放大机构,探索了应用全平面柔顺机构开发空间结构柔顺偏摆微动台的模块化设计方法,基于此研究了柔顺偏摆微动台的静力学及动力学建模与分析方法,建立了柔顺偏摆微动台的精密定位控制系统,研究了偏摆微动台的解耦及压电磁滞补偿控制方法,实现了偏摆微动台的轨迹跟踪控制,主要完成了以下研究内容:1.基于平面柔顺机构的柔顺偏摆微动台模块化设计方法研究。基于矩形截面的平面直梁及平面曲梁提出了全平面多自由度柔性铰链,建立、分析及验证了其三维柔度模型;建立了平面柔顺桥式位移放大机构的通用构型理论模型,实现了桥式位移放大机构的构型优化;应用多自由度柔性铰链模块及位移放大模块实现了柔顺偏摆微动台的模块化样机设计。2.空间结构柔顺偏摆微动台的静力学分析方法研究。应用卡氏位移定理建立了基于柔顺杠杆机构及圆柱型柔性铰链的柔顺偏摆微动台的静力学模型,基于柔顺偏摆微动台的平面等效模型,建立了微动台的三维准静态运动学分析。应用柔度矩阵法及柔顺桥式机构的平面静力学模型,建立了柔顺偏摆微动台多输入多输出的三维静力学分析,完成了柔顺偏摆微动台静力学分析的有限元及实验验证。3.柔顺偏摆微动台的动力学分析方法研究。系统的给出了空间柔顺机构的集中参数建模过程,建立了微小变形下的系统动能及系统势能方程,给出了应用拉格朗日方程建立空间柔顺机构三维动力学方程的过程,实现了柔顺桥式机构及柔顺偏摆微动台的三维动力学建模及分析,完成了动力学分析的有限元仿真验证。4.柔顺偏摆微动台的精密定位控制研究。应用最小二乘法实现了柔顺偏摆微动台的运动学模型及压电驱动器Bouc-wen磁滞模型参数的同时辨识,设计了基于偏摆微动台逆运动学模型和压电驱动器逆磁滞补偿的前馈-反馈复合控制系统,搭建了柔顺偏摆微动台的控制系统实验平台,实现了柔顺偏摆微动台的三维轨迹跟踪实验。

关键词： 被动柔顺装置   恒力控制   位姿补偿策略   路径规划   抛磨工艺  

摘要： 近年来,随着机器人技术的迅猛发展与制造业的转型升级,机器人越来越多地被应用于工业领域。由于机器人具有较大的刚性,定位精度较低,在进行抛磨加工这类接触式作业时,通过传统的位置控制已经无法满足作业要求,需要给抛磨机器人增加柔顺控制,并对抛磨接触力进行检测与控制。目前,实现接触力控制的方式主要有主动力控制和被动力控制两种。主动力控制方法要求机器人控制器同时实现力和位置的控制,存在力/位耦合,因而实现较为复杂。相比较而言,被动力控制引入独立于机器人的柔顺装置,将力控制从机器人控制器分离出来,通过柔顺装置实现,比主动力控制更加简单易行,因此在工业应用场合有着更广泛的应用前景。本文根据被动柔顺装置的结构,对其主要执行元件进行分析,通过伺服阀流量方程、气缸质量流量连续性方程及系统的力平衡方程,建立了输入控制量与输出力之间的理论模型,并通过实验测定法对装置模型参数进行辨识,为后续的力控制算法研究奠定了基础。根据柔顺装置的控制原理,对伺服阀控制量、反馈量和气缸上腔气压以及接触力,反馈力之间的关系进行了实验标定,从而实现了对气缸气压的控制及装置输出力的控制。为了实现曲面工件的柔性抛磨,结合柔顺装置的结构与模型,建立了抛磨机器人的联合运动学模型,然后对其进行了联合逆运动学求解。建立了曲面模型,提出了基于误差阈值的路径点规划方法以及基于抛磨工具与工件法向接触并沿主曲率方向的最大抛磨姿态规划方法。对获得的抛磨点位姿进行机器人的运动轨迹规划仿真,得到一种角加速度连续变化的运动方式,使加工轨迹的实现更加平稳。对柔顺装置的恒力控制方法及机器人抛磨系统的力/位控制策略进行了研究。针对工业上应用广泛的传统PID控制方法存在的不足,研究了多种改进PID控制方法。对各种控制方法进行了对比分析,并通过仿真分析了各控制参数对控制性能的影响。在此基础上,对机器人抛磨系统提出了一种基于柔顺装置的被动柔顺位移变化量的位姿补偿控制策略,并通过系统仿真验证了该策略是可行的。针对以上控制算法及仿真结果,搭建机器人柔性抛磨平台进行实验验证。结合路径规划工艺,通过离线编程生成机器人运行程序,对各种力控制方法进行实验验证与分析对比,实验证明,模糊控制和PID控制并行的控制方法不但结合了模糊控制和PID控制的优点,使系统同时具有较好的动态性能和静态特性,并且在控制实现上更加简单易行。对抛磨工艺优化进行了补充研究。在最终的叶片抛磨实验中,验证了文中研究的柔顺装置的力控制算法可以实现抛磨过程中的恒力控制;路径点位置及姿态规划算法使得叶片表面打磨更均匀;结合抛磨工艺及基于柔顺装置的机器人抛磨力/位控制策略可以实现叶片的机器人抛磨加工并获得较好的表面粗糙度,从而证明了本文研究的基于被动柔顺控制的机器人抛磨方法是切实可行的。

关键词： 苹果采摘机器人   末端执行器   稳定抓取   柔顺控制  

摘要： 在果蔬生产过程中,采摘环节是最耗时和耗力的环节,人工采摘的成本约占整个生产成本的50%70%。开展采摘机器人研究,不仅有利于解决人口老龄化和社会城镇化导致的劳动力日益短缺问题,还能促进我国农业科技进步,加速实现农业现代化。由于果蔬组织柔软、易损伤且生长程度不一,相互差异较大,导致采摘的损伤率较高。因此开展末端执行器抓取规划和控制策略的研究对实现采摘机器人的无损采摘具有重要意义,本文从采摘机器人末端执行器稳定抓取规划以及抓取力主动柔顺控制两个角度出发对采摘机器人无损抓取技术进行研究,主要研究内容如下:（1）基于苹果的形态结构特性和力学特性,设计了末端执行器,确定了果梗切割方式。为提高末端执行器环境感知能力,设计了包括力传感器、碰撞传感器和视觉传感器在内的末端执行器传感器系统,并建立了末端执行器的数学模型。（2）以力封闭作为理论基础,分析了两指稳定抓取条件,制定了两指稳定抓取策略。同时根据三指实物模型,建立三指抓取数学优化模型,通过神经网络对优化模型进行拟合分析,得到抓取位置与抓取性能之间的关系。（3）根据苹果采摘机器人末端执行器对抓取力的要求,设计了改进阻抗控制器。通过对阻抗控制的稳定性分析得知力误差与环境刚度和环境位置密切相关,为了实现对参考力的快速跟踪,在力控制器中,加入了递推最小二乘法（RLS）实现环境刚度参数的在线辨识,根据辨识得到刚度参数,调整位置输入信号,减小稳态力误差。根据遗忘因子在RLS算法中的作用,对RLS算法进行了修正,提出了一种基于误差变遗忘因子的RLS算法,克服了环境参数未知对阻抗控制的影响。在Matlab中对所提出的控制算法进行验证,仿真结果表明了所设计的阻抗控制器具有良好的性能。（4）分别利用改进的阻抗控制算法和普通阻抗控制算法控制末端执行器进行苹果抓取试验。试验结果表明,相对于普通阻抗控制,改进的阻抗力控制在抓取过程中能够快速跟踪给定力,提高抓取的稳定性,减少抓取损伤,能够实现主动柔顺抓取,更加符合采摘机器人抓取的应用要求。