关键词： 康复机器人   踝关节   柔顺性   阻抗控制   模糊控制器  

摘要： 踝关节康复机器人是一种辅助踝关节功能性运动障碍的患者进行康复训练的智能医疗设备,它是医疗机器人的一个重要组成部分,能够很大程度地提高患者康复效率、改善康复效果,这在减轻家庭和社会负担方面有着重要的作用和价值。本课题所研究的是3-RSS/S型踝关节康复并联机器人,其具有三个转动自由度,能够实现人体踝关节三个方向的旋转运动,针对其所要进行的主要工作包括:(1)根据本课题组所研究的康复并联机器人的功能需求及踝关节损伤后的康复训练特点,提出了机器人的柔顺控制方法。(2)运用D-H法确定踝部关节的运动学模型,为康复机器人的进一步研究打下基础。建立康复机器人的Matlab/SimMechanics模型及其所使用的直流力矩电机的Matlab/Simulink模型,以此为基础搭建整个系统的仿真平台。(3)对机器人的柔顺控制方法进行了对比分析并最终选用了阻抗控制方法。对阻抗控制方法中的两种模式:基于位置和基于力的阻抗控制进行了分析。针对基于位置的阻抗训练模式建立了系统的Simulink仿真平台,并进行了相应仿真分析,由仿真结果可得,所设计的阻抗控制器可以实现康复机器人动平台的训练轨迹控制,而且具备一定的柔顺性。通过阻抗参数的调整,可以使机器人呈现出不同的柔顺特性。(4)针对患者的不同康复阶段设计相应的阻抗参数自调节模糊控制器。该模糊控制器能够根据制定的模糊规则,选取最佳的阻抗参数,并可以根据接触环境刚度的改变对阻抗参数进行在线调整,使整个系统呈现出更好的抗干扰能力和良好的动态性能。本文以Matlab/Simulink为仿真平台,针对所选用的阻抗控制方法进行实验分析及验证。并初步论证了机器人阻抗控制方法的可行性。主要目的是实现踝关节康复机器人的柔顺控制,避免使用者在使用过程中发生二次损伤。

关键词： 机械臂   F/T传感器   运动学   柔顺控制   重力补偿  

摘要： 为了实现机械臂重力环境下的大范围柔顺控制,提出了一种基于末端受力/力矩(F/T)传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法,将机械臂末端力的控制以关节空间基于位置的阻抗控制策略实现。采用基于机械臂运动学的方法对末端重力进行实时补偿,去除末端重力对F/T传感器测量值的影响,并将各方向F/T测量值转换到基坐标系下,然后根据基坐标系下各方向F/T情况,修正末端位姿,并将修正后的末端位姿反解到关节空间,通过各关节位置控制器实施柔顺控制。实验结果表明,该方法能够实时补偿重力对机械臂末端F/T传感器测量值的影响,使机械臂在重力环境下不借助任何外部设备,实现任何末端位姿下的柔顺控制,证明了该方法的有效性和可行性。

关键词： 在轨加注   杆-锥式模型   碰撞模型   碰撞力   力/位混合控制   空间机器人  

摘要： 为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响,提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次,设计了"杆-锥式"加注主被动端装置,根据主被动端的接触特点,建立了点面接触的碰撞动力学模型,并给出相应的碰撞力计算方法。接着,将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题,得到了机械臂关节期望运动规律,进而设计了位置环控制律;根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力,进而设计了力/力矩环控制律,结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器,以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后,仿真结果表明,对接方向的位置误差由初始值降至零,对接过程碰撞产生的力不超过10N,满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓,关节力矩不超过13Nm,满足机械臂关节力矩最小承载,所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。

关键词： 柔顺控制   重力补偿   机器人   力控制  

摘要： 以有机玻璃为研抛加工对象,将机器人离线路径规划与在线力控制结合起来组成机器人研抛控制系统。对研抛工具在加工过程中所受作用力进行了分析,根据柔性机构与主动柔顺控制,建立了一种主被动柔顺控制研抛模型。通过工具重力计算,提出了基于工具负载的重力补偿算法,用于消除研抛加工过程中产生的重力的干扰。提出了基于阻抗内环的力外环控制策略,实现了对研抛力的无静差跟踪。试验结果表明,该方法通过计算期望力与实际力的误差对机器人轨迹进行修正,实现了机器人相对恒定的力控制效果。

关键词： 苹果采摘机器人   抓持规划   柔顺控制  

摘要： 针对苹果采摘机器人末端执行器抓持过程缺乏通用、有效的规划,现对三手指末端执行器与苹果的接触过程进行了研究。将稳定性归结为内力汇交多边形的存在性和内力汇交节点的位置。以汇交多边形的最大内切圆圆心为内力作用线的交点,求出各内力的关系和满足摩擦锥约束的内力,避免了复杂的运算。最后算例说明了方法的可行性。

关键词： 并联机器人   下肢康复   轨迹规划   位姿控制   柔顺性控制  

摘要： 下肢康复机器人能够为脑卒中或某些意外事故导致的下肢偏瘫、灵活性较差的患者提供康复训练理疗。利用康复机器人可以实现精确控制、运动训练及在线评估,很大程度上提高了康复训练的效果。六自由度并联机器人具有刚度大、累积误差小、定位精度高、负载能力强等优点,在空间对接运动、隔振、模拟驾驶、康复医疗设备中得到了广泛应用。将并联机器人应用在下肢康复医疗领域,一方面可以将康复医师从繁重的手动训练中解放出来,另一方面帮助患者进行科学的训练、辅助其恢复运动机能。本文研究了下肢康复过程中的轨迹规划、高精度位姿控制及柔顺力控制问题,可实现有效的康复训练和多种康复模式。主要研究工作如下:(1)建立人体步态信息数学模型并进行步态规划。基于视频捕捉系统建立人体步态数学模型,获得人体膝关节、踝关节和脚心数据。采用三次样条函数进行轨迹规划,保证速度、加速度过渡平滑,防止对患者造成二次损伤,并根据机器人的运动学逆解得到了工作空间和关节空间内的轨迹、速度和加速度信息。(2)并联康复机器人的位姿控制研究。为了保证在康复运动中步态轨迹跟踪的精度且提高系统的稳定性,采用非奇异终端滑模控制,结合具体动平台参数和指数趋近律的思想提出合适的控制律,在该控制律下,通过Lyapunov稳定性定理证明康复并联机器人系统的稳定性并且从理论上可以保证轨迹跟踪误差在一定时间内收敛为零。(3)并联康复机器人的柔顺性控制研究。采用导纳控制来进行柔顺性康复训练,对导纳控制的三个关键参数进行分析,并探讨其对力控制性能的影响,在此基础上提出变阻尼的导纳控制。利用s型函数来达到变阻尼的效果,提高暂态性能,防止力超调,保证了康复过程中不会因为力的突变和超调对患肢有损伤。通过以上的研究,可以有效地获取人体正常步态信息,得到理想的康复训练轨迹。仿真和实验结果表明非奇异终端滑模控制能够有效地保证轨迹跟踪的精度与系统稳定性,而变阻尼导纳控制在力控制中具有响应快速性和小的超调量,动平台能够有效地根据人机接触力来调整实际轨迹。

关键词： 机器人宇航员   空间机器人   全身协调   柔顺控制   双臂协调  

摘要： 随着空间技术的飞速发展,宇宙探索的不断深入,人类对地球以外的宇宙环境有了更深层的认识。机器人技术的发展和空间应用,彰显了机器人在未来宇宙探索中的巨大潜力,尤其是像人一样具有灵活操作能力的类人机器人(本文称为机器人宇航员),具有高灵活性和运动协调性,可以辅助人类宇航员完成空间站内外的设备维护和科学实验,降低出舱风险;星体探索时,其具有更好的运动和环境适应能力。本文针对机器人宇航员在空间站和星体探索中的工作任务特点,开展全身协调运动的轨迹规划和双臂作业过程中柔顺控制方法的研究。根据机器人宇航员的结构尺寸和自由度配置,建立了整体系统的运动学模型,基于系统各部分耦合关系,组建了右腿-腰-右臂运动链、右腿-腰-左臂运动链和左腿从动链。将位置级运动学与速度级运动学相结合,提出了微重力环境下整体式和分步式全身协调的运动规划策略。为避免关节角度运动到极限位置,通过梯度投影法进行关节空间优化,实现了各关节的避极限位置控制,并利用灵活性指标分析了避关节极限控制对机器人双臂灵活性的影响。依据双臂的主从关系利用最速下降法和欧拉-轴角法规划双臂末端的运动轨迹,通过典型工况的仿真,验证了策略的有效性。对于机器人宇航员在行星表面应用的情况,需要考虑引力下的平衡问题。本文研究了引力环境下机器人宇航员保持平衡稳定的条件,提出了利用机器人的COM(Center of Mass)位置间接调整控制ZMP(Zero Moment Point)位置的方法,达到机器人保持平衡稳定的目的。针对双臂进行作业时的运动协调及内力分配问题,分析了机械臂闭链时的运动约束关系,推导了传感器检测力到机械臂末端力的等效转换,提出了主从式和平级式的力分配方法,实现了双臂协调的阻抗控制。通过典型任务的仿真,验证了方法的有效性。

关键词： 并联机器人   柔顺关节   运动规划   轨迹跟踪   控制技术  

摘要： 柔顺关节并联机器人是并联机器人与柔顺机构融合形成的新型机器人，由于使用柔顺关节传递系统运动，能够从根本上解决由传统运动副带来的间隙、摩擦、冲击等问题，从而有效提高机器人性能，因此，成为机器人学和机构学研究领域的前沿课题之一。目前，国内外研究主要集中在具有柔顺结构的微操作并联机器人的构型设计和运动分析上，而对于宏观大范围高速运动并联机器人，使用柔顺关节替代传统运动副所带来的优越性尚未被揭示出来。　　本文以含大变形柔顺关节的并联机器人作为研究对象，致力于探索此类柔顺并联机器人系统的内在特性及其改善方法，在结构参数设计、运动学及动力学建模、运动规划、轨迹跟踪控制、虚拟样机仿真及实验等方面进行了深入、系统的研究。　　首先，研究了柔顺关节并联机器人的结构参数设计与系统建模。根据3-RRR刚性并联机器人构型，用柔顺关节取代转动副，以机器人的初始位姿不变为条件，设计了柔顺关节及机器人系统结构参数。采用铰链-扭簧模型，建立了柔顺关节并联机器人的系统分析模型，推导了系统的正、逆运动学模型，基于拉格朗日原理建立了系统动力学方程，利用三维建模及分析软件，建立了机器人系统的虚拟仿真模型。这些工作为开展柔顺关节并联机器人的运动规划及轨迹跟踪控制研究提供了有效工具。　　然后，开展了柔顺关节并联机器人的运动规划研究。针对轴心漂移引起的机器人主、从动杆杆长变化，提出了轴心漂移补偿运动规划方法，为解决柔顺关节易产生弹性振动的不足，在笛卡尔空间应用S型速度曲线，规划了机器人的运动参数。结合两种规划方法，提出了柔顺关节并联机器人综合运动规划方法，虚拟样机仿真结果验证了规划方法的有效性。　　其次，研究了基于系统动力学模型的柔顺关节并联机器人轨迹跟踪控制问题。首先，研究了柔顺关节并联机器人轨迹跟踪控制的基本问题。然后，引入滑模变结构控制方法来抑制系统的不确定性误差，设计了计算力矩滑模控制策略，根据误差先验知识结合指数趋近律，设计了趋近率上界滑模控制策略。利用Lyapunov稳定性理论，证明了控制策略的稳定性。基于联合控制仿真模型，开展了轨迹跟踪研究。仿真结果表明，计算力矩滑模控制策略有效实现了含柔顺关节并联机器人系统的轨迹跟踪，趋近律上界滑模控制策略能使系统具有更高的跟踪精度，是实现柔顺关节并联机器人高精度轨迹跟踪控制的有效方法。　　再次，研究了柔顺关节并联机器人的模型逼近轨迹跟踪控制策略。基于径向基函数（RBF）神经网络，逼近机器人系统的不确定性误差，提出了RBF神经网络趋近律滑模控制策略，有效提高了机器人的轨迹跟踪精度;使用神经网络逼近机器人系统模型，分别提出了模型整体逼近、模型分块逼近及模型分项逼近控制策略，具有不依赖系统精确模型的优点，仿真结果验证了控制策略的跟踪性能及鲁棒性，说明了模型分块逼近控制策略的综合性能最佳。　　最后，进行了柔顺关节并联机器人的实验研究。使用柔顺关节取代刚性转动副，搭建了柔顺关节并联机器人实验系统，分别开展了柔顺关节并联机器人与3-RRR刚性并联机器人的对比实验，运动规划实验及轨迹跟踪控制实验。实验结果验证了柔顺关节替代刚性运动副的可行性;通过与仿真结果比较，对实验轨迹精度进行了分析，验证了本文提出的柔顺关节并联机器人运动规划方法及轨迹跟踪控制策略的有效性。

关键词： 并联机器人   柔顺关节   控制系统   仿真模型   轨迹跟踪  

摘要： 并联机器人是在20世纪80年代兴起的先进技术，从出现开始就受到了国内外众多学者的关注。并联机器人相对串联机器人运动链较短，并且运动部分重量较轻，具有高速、高精度与高刚度等优点。但是，并联机器人多采用刚性运动副来传递力和运动，在高速、精密的现代机械中存在一些不可避免的问题，例如:刚性运动副带来的摩擦、间隙及冲击，降低了并联机器人末端轨迹的准确性和可重复性，也产生了振动和噪音。柔顺机构的出现为解决这一问题提供了新的方法。因此，开展含有柔顺关节的并联机器人研究具有重要的理论意义和应用价值。　　首先，对基于PMAC的并联机器人控制系统进行了开发。根据实验要求制定了控制系统的整体方案，在Windows环境下，对基于PMAC的平面三自由度并联机器人控制系统上位机软件及人机界面进行了设计。该控制系统可以实现机器人动平台的多种运动轨迹跟踪任务，并且可以对机器人参数进行实时监控，为开展实验研究提供了开放、友好的工作条件。　　其次，运用PRO/E、ADAMS和ANSYS等软件建立了刚性关节并联机器人及柔顺关节并联机器人仿真模型，并利用模型进行了运动仿真研究，通过仿真轨迹发现柔顺关节机器人可以很好地完成规划任务。　　最后，利用片簧式柔顺关节搭建了柔顺关节并联机器人实验平台，并进行了轨迹跟踪实验。首先，对不同厚度的柔顺关节进行了不同速度的分组实验，通过实验数据分析选出柔顺关节最优厚度，然后，对最优厚度柔顺关节进行了不同速度与轨迹的多组轨迹跟踪实验，通过实验数据对柔顺关节的特性进行了总结，证明所开发的控制系统具有良好的实时性和可靠性，同时验证了片簧式柔顺关节代替传统刚性转动副的可行性。

关键词： 带电抢修作业机器人   面向对象   主从控制   柔顺控制   双臂协调控制   目标识别  

摘要： 随着我国经济的发展,保证电力系统安全稳定运行变得越来越重要,如何加强电网日常维护,防患于未然,以及出现问题时及时抢修,构建电力系统安全防御框架、应对各种挑战,成为亟待解决的问题。带电作业是指在高压电器设备上进行不停电检修、部件更换或测试,一直为世界各国所重视。配电网是电力网中与用户关系最直接、最紧密的网络,目前其带电作业主要是人工方式,危险程度高,劳动强度大。为避免人工带电作业中事故的发生,增强带电作业的安全性,提高作业效率,采用机器人代替人工进行作业有着迫切的现实意义和重要的研究价值。虽然国内已经出现过带电作业机器人的研究成果,但在本体结构计、驱动动力系统、动力学建模、控制方法等各方面还没有形成成熟的理论体系,仍处于探索阶段。基于以上现实背景,本文针对电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,研究了一种带电抢修作业机器人,在不停电的情况下进行配电网的安全抢修和日常维护作业。本文的主要研究内容和结果概况如下：(1)针对10kV及以下架空线路配电系统的现场环境,设计了一种适用于10kV及以下配电线路的带电抢修作业机器人的机械结构,其主体结构包括移动升降平台、液压机械臂、专用带电作业工具。在绝缘斗臂车的基础上,设计了适合于野外复杂路况的工程化移动升降平台,为带电抢修作业机器人提供了平台基础。研制了大载荷、高绝缘强度、高功率密度的多自由度液压机械臂,适应了配电网带电抢修作业的复杂空间环境,满足了高压作业的高绝缘度要求和高空作业的低质量负载要求。研制了多种具有标准机械、电气接口的带电作业专用工具,实现了带电抢修和维护的标准化作业。(2)根据带电抢修作业机器人对控制系统的特殊要求,采用了分层递阶的体系结构,开发了一套可划分为顶层、中间层、底层三层结构的控制系统,通过合理的任务分配及协调,可实现机器人的任务管理、任务规划、主从控制和自主控制。基于UML使用面向对象技术分析和设计了电抢修作业机器人主控系统,将机器人运动参数检测、视觉定位跟踪、主手示教再现、信息处理与统计有机结合,利用加锁机制和有序资源分配法,开发了多线程并发、多端口通信的网络化带电抢修作业机器人主控软件,解决了多子系统并发交互的临界资源竞争问题。基于TRIO多轴运动控制器研制了从控系统,驱动机械臂各关节液压伺服阀,可灵活、可靠的控制带电抢修作业机器人的多自由度运动,并实时地处理多种传感器信息。为保证绝缘等级,主控制系统与运动控制系统间采用光纤通讯,供电线路采用隔离变压器进行电气隔离。(3)基于D-H方法对带电抢修作业机器人进行了运动学分析,使用拉格朗日方法建立了带电作业机器人与作业对象的整体运动学模型。对带电抢修作业机器人的六自由度液压机械臂进行了正向运动学分析和逆向运动学方程的求解,结合实际带电作业环境,分析作业运动空间,优化了机械臂结构。建立了机械臂的拉格朗日动力学方程,并针对机器人操作导线的作业场景,防止作业过程中因导线的反弹和惯性造成事故,将导线这种柔性负载与机械臂一起进行了整体动力分析,为研究机械臂协调操作柔性负载的柔顺控制策略提供了基础模型。使用ADAMS和MATLAB联合仿真,得到各关节运动范围、运动速度和关节驱动力等重要参数,验证了运动学模型和动力模型的有效性。(4)为保障带电作业的高效性和可靠性,研究了基于多传感器的机器人主从控制与局部自主控制相结合的控制策略。主从控制中,改进了力反射型伺服控制策略,减小了尺寸缩放效应对力控制的影响,通过实验验证了该主从控制策略的优越性。自主控制中,分析了机械臂各连杆的受力情况,使用系数法和曲线拟合法相结合的方式进行了自身重力补偿,提高了关节力矩的接触力测量的准确度。未接触目标前,基于视觉传感器对机器人接近速度进行控制,提高了机器人工作效率和安全性；在接触作业时,提出了一种新型的基于阻抗的力控制方法,实验结果证明该方法提高了机器人与高刚度环境接触时力跟踪的精度和稳定性。(5)针对架空线路配电网的实际环境情况,提出了一套基于自调整阈值Canny边缘检测和Hough变换三直线加圆检测计算的作业目标识别方法,克服了线路背景复杂、作业目标对比度低、光线干扰大等问题。针对六角螺母这一目标对象,提出了一种包含连续调整阈值进行Canny边缘检测、Hough变换搜寻三条夹角60°直线、Hough变换圆检测三个步骤的螺母定位方法,在光线不均匀的实验条件下验证了其有效性。运用运动目标的双目视觉定位方法,综合已知的作业目标所在世界平面在当前摄像机坐标系中参数标定方法,确定了作业目标在机器人坐标系中的三维坐标,为基于视觉伺服的机器人运动自主控制打好了基础。(6)为避免双机械臂作业过程中的力度配合不协调和可能发生的碰撞问题,建立了双臂力度控制柔顺模型,提出了一种基于C空间法和A*搜索法的双臂协调避碰控制方法。针对双机械臂运动学结构的不完全对称性