关键词： 磁流变液   非球面   系统辨识   最小二乘法   模糊PID控制器  

摘要： 磁流变液是一种智能材料，在磁场下其性能会发生变化，主要体现在材料中的磁性颗粒在排列上发生变化，液体由牛顿流体变为Bingham流体。将该材料应用于传动装置，可实现力矩传递，并且通过对磁场的控制，达到无级变速。基于优良的特性，在现代受到了科研工作人员越来越多的关注，并且在阻尼器、离合器方面的应用，已取得成效。 由于磁流变液传递装置在转动时具有优异的可控性并带有过载保护的特点，本论文将其应用到非球面研抛加工过程中，用于传递力矩。论文对非球面研抛中的力—位耦合问题进行了深入分析，结合磁流变液力矩传递装置，提出了一种力—位解耦方法。该方法将磁流变液力矩传递装置与数控车床相结合，实现了由位置伺服控制研抛力转变为力矩伺服控制，研抛路径由数控机床实现控制。并且开发出一套能够实现柔顺研抛的控制系统，在LabVIWE平台上建立的非球面研抛控制系统加入模糊PID控制器，有效提高了控制系统的精度，降低了非球面表面粗糙度值。 论文主要研究内容有以下几个方面： 1．介绍了磁流变液的应用前景、非球面零部件优点和加工难点、非球面精密超精密加工技术国内外的发展状况，以及当前非球面加工装备发展上我国与西方发达国家的差距。 2．介绍了非球面研抛系统及硬件组成，研究了非球面研抛理论，找出了材料去除率影响因素。分析了非球面研抛过程中力—位耦合原理，提出了解耦方案，建立材料去除模型并对其进行分析。 3.研究并建立了非球面研抛控制系统的数学模型，对系统辨识原理、内容、步骤等进行了系统的研究，应用曲线拟合知识，通过最小二乘法，借助Matlab工具获得磁流变液力矩传递装置的激励电流与输出扭矩之间的函数关系。并借助最小二乘法，编写相关程序，计算出磁流变液力矩传递装置动态模型中的未知参数，为后续软件控制操作系统的开发打下了基础。 4.对研抛过程中力矩的传递做了相关分析，并对得到的研抛力动态模型进行了系统性矫正。通过Ziegler-Nichols参数整定法获得PID控制器的三个时间常数。在Matlab的Fuzzy模块下建立了模糊PID控制器的隶属度函数、规则表等等。之后在Matlab的Simulink模块中对校正后的动态模型进行了仿真，包含有PID控制器和模糊PID控制器。仿真结果显示后者要优于前者，鉴于模糊PID控制器良好的效果，将其整合到LabVIEW平台中，编写出带有模糊PID控制器的LabVIEW软件程序，并在软件应用中调用。结果显示，在实际应用中效果良好，可靠性高。 5.由Mastercam获得所需数控粗车程序，经数控车削得到所需研抛的加工件。再编写出精加工时所需程序，用于精密研抛过程。试验结果表明本文所研制的数控研抛平台及控制系统可获得高质量的研抛工件表面，适用于多种非球面形面。 试验证明，本论文中的磁流变液力矩传递装置有效解决了研抛过程中的力——位耦合问题，模糊PID控制器的应用使得研抛精度得到有效提高，加工后的工件表面粗糙度可达到0.02μm左右。

关键词： 振动主动控制   两自由度柔顺铰链机构   性能指标   鲁棒性波特图  

摘要： 本文针对电子设备中的基准频率源的重要性,而当其受到振动时会发生频率抖动、相噪恶化等现象,导致电子设备无法正常工作,严重时会产生灾难性后果,而传统的被动控制难以抑制其低频振动,阐述了振动主动控制的必要性和重要意义。然后以两自由度柔顺铰链机构为控制对象,提出一种基于该柔顺机构的基本特性和实际控制要求的主动控制方法,建立减振实验平台,实现小范围内的低频振动主动控制,以达到尽量减弱外部振动干扰带来的影响的目的。首先根据两自由度柔顺铰链机构的主要构成和基本特性,进行仿真分析,并根据动力学方程,建立该被控对象的数学模型。然后根据闭环系统的性能指标与一种典型四阶开环系统的系统参数之间的对应关系,给出了由性能指标设计系统模型的方法和步骤,针对被控对象和性能要求设计初始控制器得到期望开环系统。随后,对含有振动干扰不确定性以及模型不确定性的柔性机构控制系统根据鲁棒稳定性和性能鲁棒性双重判别标准、通过使用鲁棒性波特图作为形象化的设计工具进行控制器的设计和改进,达到抑制振动的目的。最后,为进一步验证本文提出的控制策略在两自由度柔顺铰链机构的主动控制系统中的有效性,搭建了两自由度控制实验平台,进行一系列实验。最后的实验结果表明,该算法具有一定的可行性。

关键词： 机器人宇航员   多销孔对接   自适应力柔顺   多动力学前馈   空间攀爬与装配  

摘要： 目前空间站运行中的绝大部分维护与操作依赖航天员。每次出舱任务,都是以航天员健康和生命安全风险为代价,并且经济、时间、人力成本巨大。在按照航天员人体工效学设计的空间站环境中,用机器人宇航员辅助作业能够提高效率,甚至替代航天员,有重大意义。本文结合国防基础科研和921载人航天项目,基于航天员通过攀爬运动到目标区域进行空间作业模式,针对机器人宇航员在空间站舱外攀爬运动与柔顺装配作业需求,重点分析其空间微重力环境下的动力学模型和控制需求的特殊性,开展机器人宇航员漂浮基动力学建模、攀爬运动控制、力柔顺装配方法等研究。主要研究内容和成果如下:第一,在微重力环境下,机器人的运动状态对干扰力与大范围的惯量变化非常敏感,对机器人的快速稳定控制带来新的挑战。本文提出一种改进的空间向量法,建立了机器人宇航员的漂浮基动力学模型,从而降低计算量(相对于空间向量法减小约30%),使其能够满足基于嵌入式系统的实时控制需求,为机器人的快速稳定运动控制提供基础。第二,为了解决机器人宇航员舱外攀爬运动状态对干扰力与惯量变化敏感问题,针对关节控制提出一种综合系统动力学、末端接触力和关节电机组件模型的前馈方法,以提高关节力矩响应速度。同时,基于动力学模型对攀爬运动过程中的加速度进行优化,并提出一种安全避碰攀爬运动策略,以保证机器人宇航员攀爬运动稳定性与安全性。第三,针对空间站舱外载荷固定用多组销孔机构的力柔顺对接问题,在分析该机构对接过程中的特殊力学特性的基础上,扩展经典阻抗控制方法中的弹簧项,提出一种基于遗忘因子函数的改进阻抗控制方法,对阻抗控制器中的虚拟弹簧位置进行自适应实时调节,有效降低对接过程中的振动与接触力,从而解决随机误差导致的阻抗力对空间对接过程的稳定性影响问题,进而实现该机构的稳定对接。最后,基于机器人宇航员原理样机,建立机器人实验平台,及相应的仿真系统,并通过仿真和实验结果验证本文提出的针对机器人宇航员移动与操作技术的研究内容和方法的可行性与有效性。

关键词： 空间机械臂   运动控制   软件架构   运动学建模   路径规划   柔顺控制  

摘要： 空间技术已经成为一项衡量国家综合实力的重要标准,世界各国竞相发展,越来越受到人们关注。航天强国均已建设了自已的空间站,并以此为基础向深空领域发展,我国航天“三步走”的战略也正在顺利实施。空间机械臂技术作为空间技术的一项基础技术,是保障我国航天事业顺利前进的基础,研发出可靠实用的空间机械臂,对促进航天技术和民用技术发展都有重大意义和价值。本文依托中国航天科技集团的“小型空间机械臂原理样机”合作科研项目,对6-DOF(Six Degrees of Freedom)空间机械臂的运动控制进行了全方位的研究,针对目前存在的两个难点,分别提出了解决方案,并进行了验证。针对缺乏高效实用的空间机械臂运动控制软件系统架构的难题,提出一种C/S(Client/Server)结构下的基于多线程和循环队列的空间机械臂运动控制软件架构。架构由Client端与Server端组成,分别承担不同的功能。并以自主研发的6-DOF小型空间机械臂为平台,详细介绍了架构的实现过程,进行了仿真验证,结果表明架构能够满足实际的空间机械臂运动控制需求;同时,架构与平台和操作系统无关,不需要任何预备知识,可大大缩短开发周期和实现难度。针对缺少经济有效的重力环境下大范围柔顺控制方法的难题,提出一种基于末端F/T传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法。该方法基于机械臂运动学对机械臂末端重力进行实时补偿,消除机械臂末端重量对末端F/T传感器测量值的影响,然后通过关节空间基于位置的阻抗控制策略实现柔顺控制。为了全面介绍该方法的实现过程,以6-DOF小型空间机械臂为例,首先采用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法对空间机械臂进行数学建模,建立了机械臂位置级、速度级正/逆运动学方程,同时,为了解决位置级逆运动学方程多解的问题,提出一种逆运动学优化方法,并对位置级正/逆运动学方程计算精度及逆运动学优化方法进行了验证;然后,以三种机械臂路径规划插值算法为基础,分别设计和验证了空间机械臂单节点和多节点路径规划方案;最后详细介绍了基于运动学的空间机械臂末端重力实时补偿算法,及大范围柔顺控制方法的计算机实现过程,并基于以上工作,对实时重力补偿算法和重力环境下大范围柔顺控制效果进行了验证。结果表明该方法,能够实现机械臂在大范围内任何末端位姿下的外力跟踪,使得机械臂在运动控制的整个过程都具备柔顺能力,且静态时能够保持稳定,使机械臂的操作过程更加贴近生物臂。

关键词： 轻型机械臂   模块化关节   柔性关节   柔顺控制  

摘要： 模块化机器人是机器人领域未来的重要研究方向之一。模块化设计具有灵活性好、设计周期短、设计成本低且便于维护的优点。本文针对自动装配轻型机械臂的应用需求,研制具有力感知及柔顺控制功能的模块化关节,以满足快速发展的装配作业的需求。为提高轻型机械臂的互换性和可维护性,缩短开发周期,采用模块化以及一体化的思想设计其关节。根据装配任务的需求,确定了关节需要满足的功能及性能指标,基于此,设计了关节的总体方案,将机构、驱动、传感、控制集成为一体,并完成了关键部件的选型,包括关节电机、谐波减速器、位置传感器、失电抱闸以及轴承等。基于设计的方案将各部件装配起来,构成一个传动可靠、集成度高、具有标准机械和电气接口、可实现中空走线的模块化关节。根据设计的结果,推导了一体化关节的动力学模型,建立了包含位置、速度及电流三环在内的闭环仿真系统。基于该系统,完成了关节控制器的算法验证,为设计本课题的伺服驱动器提供了技术支持。通过分析机械臂的负载能力及运行情况,得出关节电机适于采用id=0的磁场定向矢量控制策略和采用空间脉宽调制技术的结论。为满足一体化关节实时性、开放性、灵活性的控制需求,开发了基于FPGA的伺服控制器。该控制器主要包括时序控制模块、电流信号采集电路及其信号处理模块、矢量变换模块、PI调节器、三角函数计算模块、空间矢量脉宽调制模块、绝对式编码器SSI总线接口电路及采集模块等,综合实现了传感器信号采集与融合、伺服控制、电机驱动等功能。最后完成了样机的集成和调试。以开发的样机作为测试对象,分别对SVPWM和永磁同步电机矢量控制算法进行了实验验证,结果表明了所设计的柔性关节具有较好的电流、速度和位置跟随性,达到了预期目标。

关键词： 液压机器人   柔顺控制   阻抗控制   虚拟腿   变刚度控制  

摘要： 腿式机器人是近年来国际上的热门研究领域,其对于复杂地形和恶劣环境具有较强适应能力,能够最大限度的协助人类完成各种复杂任务,具有广阔的应用前景。而液压伺服由于其功率密度大、动态响应快、抗电磁干扰性强等特点,能使机器人拥有更高的负载能力和动态性能。机器人在自然空间的轨迹运动控制已较为成熟,但在其进行相关作业或步态行走时与外界环境的接触是无法避免的。由于液压刚度较大,在与外界接触时会产生较大撞击,从而会严重影响腿式机器人的稳定性。因此本文由实际液压驱动腿式机器人的工程项目展开,通过增加弹性元件及柔顺控制算法实现让机器人能够表现出柔顺特性,并具有一定减缓冲击的能力。主要研究内容如下:首先,本文基于对非对称液压缸的模型分析,引入弹性元件将力检测转换为位置测量,增强了环境适应性。并分别对无阻尼器和带阻尼器的液压SEA数学模型进行了分析,建立了力控制的参数关系式,使得液压驱动器能够实现准确的力控制,并分析了其稳定性,验证了驱动器能够满足实际机器人柔顺控制的基本需求。接着通过对基于位置的阻抗控制模型进行分析,建立了机器人所受环境力与液压缸伺服位置之间的关系。通过内外环结合、实时进行受力状态补偿的控制方式。使机器人末端模拟出一定的阻抗特性,使其对未知环境具有更好的适应性。同时,从整体机器人腿部的角度分析了虚拟腿模型,通过运动学分析及机构几何关系建立了虚拟腿刚度、弹性元件变形量及液压缸位移之间的关系。使机器人能够在受力状态下表现出变刚度特性。最后结合控制方法,设计加工了液压串联弹性驱动器机构,并搭建了机器人实验平台,同时应用嵌入式QNX系统,完成多线程任务的创建及控制算法的编程。然后通过对单缸液压弹性驱动器的仿真和实验,验证了其稳定的力控制及动态响应能力。接着针对不同的刚度系数和阻尼系数对阻抗控制进行了仿真与实验,分析了刚度对机器人柔性的影响以及阻尼对调整过程的作用,并通过虚拟腿刚度控制实验验证了其能够提供变刚度的能力。最后通过行走实验,验证了两种方法均能够实现一定的柔顺控制效果。从而为机器人稳定性研究提供了支持。

关键词： 柔顺性控制   “弹簧—质量—阻尼”系统   位置内环控制  

摘要： 随着机器人的应用领域不断加深、机器人智能化需求的不断提高、机器人作业的未知环境不断复杂,机器人的柔顺性显得越来越重要。为了满足工业生产智能化的需求,完成如装配操作、表面跟踪、修理工件表面、曲面测量等柔性工作,未来机器人发展必须智能化、柔性化。随着计算机、控制策略、测控等领域的不断发展,以及工业工程的需求,机器人的主动柔顺性控制已经成为目前智能机器人的研究热点。本文主要对Stewart平台柔顺性控制进行研究。首先对Stewart平台柔顺性控制的运动学、动力学进行理论分析,研究运动学分析时采用矢量法,推导出Stewart平台上平台质点的运动位移、速度、加速度与各杆的运动位移、速度、之间的数学关系表达式;研究动力学分析时,运用拉格朗日法,建立Stewart上平台受力、位移、速度、加速度与各杆间的受力、位移、速度、加速度之间的关系。Stewart平台柔顺性控制的运动学、动力学分析为研究柔顺性控制系统以及实验研究提供理论基础。其次,对Stewart平台柔顺性控制的控制策略进行研究与仿真。建立Stewart平台与未知环境的柔顺性控制等效模型,将其在各自由度上等效成一个“弹簧—质量—阻尼”系统,每个自由度上具有各自的惯性、阻尼、刚度,最后建立一个六自由度的等效阻抗控制模型。建立基于位置内环控制的 Stewart平台柔顺性控制的控制系统,运用仿真软件ADAMS和MATLAB,对建立的控制系统进行仿真研究为实验研究提供数据支持。最后,完成Stewart柔顺性控制平台的搭建并实验研究平台的柔顺性。

关键词： 空间多指灵巧手   腱驱动   N+1   腱张力   柔顺控制  

摘要： 现有的腱驱动空间多指灵巧手通过对每一根腱施加独立的张力实现力控制,忽略了腱绳耦合运动的影响。针对"N+1"型腱驱动多指灵巧手系统内腱绳运动和腱张力耦合的问题,采用关节转矩到腱张力映射的方式解决,同时加入位置控制,构成位置/腱张力混合控制系统,实现腱驱动灵巧手的主动柔顺控制。"Matlab+ADAMS"联合仿真结果验证了算法的可行性。

关键词： 四足机器人   柔顺行走控制   节律运动   Hopf振荡器   中枢模式发生器  

摘要： 针对节律运动突变碰撞力大和柔顺性低的问题,改进基于Hopf振荡器的中枢模式发生器模型,提出一种节律柔顺行走控制方法。分析Hopf振荡器输出信号与关节运动之间的关系,整合膝关节变量,改变神经元之间的作用关系,实现对称步态和非对称步态行走;分析节律运动碰撞力突变对四足机器人行走产生的负面影响,提出基于碰撞力大小和四足机器人身体姿态的柔顺性评估方法;通过连续调整碰撞阶段大腿的摆动幅度,增大摆动周期,减小碰撞阶段的关节运动速度,形成机器人本体与地面之间的缓冲,实现节律柔顺行走。四足机器人慢走步态和对角小跑步态仿真实验验证了该控制方法的有效性。

关键词： 六足机器人   足端脚力   自适应控制   模糊控制   适应性  

摘要： 针对六足机器人在不同环境下进行柔顺控制的问题,提出一种基于自适应-模糊控制算法的腿部柔顺控制策略.在建立六足机器人结构模型和阻抗控制模型的基础上,推导间接自适应控制算法,并通过对该算法参数进行分析,得知该算法并不能满足在复杂环境下机器人脚力控制的要求.根据这一情况提出自适应-模糊控制算法,运用模糊控制算法对自适应控制参数进行修正,根据输入与输出的差异关系实时调整参数以得到满意的系统响应.通过对传统的间接自适应控制和改进后自适应-模糊控制算法的比较分析,结果表明,改进后的算法不仅在环境参数发生变化时能够很好跟随期望接触力,而且在躯体高度波动的情况下依然能够保证较小的接触冲击力和较高的稳态精度.这对于提高六足机器人的适应性有着重要意义.