关键词： 结肠镜机器人   连续型机器人   力感知   柔顺控制  

摘要： 由于现今社会污染的加重以及人们饮食结构的改变,目前,全球结直肠癌发病率已位于男性癌症的第三位,女性癌症的第二位,其中我国的肠癌发病率增速达年均4%,是世界水平的两倍。而目前常规结肠内窥镜在检查过程中主动弯曲能力不足从而易引起病人严重不适和痛苦,甚至导致肠道穿孔,所以越来越多的学者尝试将机器人技术引入结直肠镜检查过程中。由于人体肠道具有相对浮动性,形状及位置不完全固定,为了提高结肠镜机器人进行内窥镜检查时的安全性以及可靠性,本文研究了结肠镜机器人力感知系统以及基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制系统和柔顺控制算法。通过力感知系统实时监测机器人与肠道壁的接触压力,机器人采用柔顺控制算法使得机器人与肠道壁的接触压力始终保持在安全阈值之内,提高结肠镜机器人肠道检查过程中的安全性。具体研究内容如下:一、力感知系统设计及其参数标定。通过对结肠镜机器人蛇形本体部分表面受力变形的建模与仿真分析设计符合系统要求的压力传感器结构以及压力传感器的信号采集系统,并在此基础上针对传感器结构特点进行力感知系统的参数标定。二、基于力感知的柔顺控制算法研究。首先分析机器人各关节段运动姿态特点与相互关系,得到基于人工导向的主动弯曲控制方法;随后针对结肠镜机器人密闭的人体肠腔工作环境,对肠腔组织进行力学分析,并在机器人连续体各关节段之间串联耦合的结构特点基础上,建立关节段与肠道的接触模型,研究基于接触力的机器人姿态修正算法;最后,融合力感知控制系统,基于以上人工导向控制算法和机器人姿态修正算法得到机器人最终的柔顺控制方法。三、控制系统搭建和实验研究。控制系统由三个子系统构成:弯曲控制系统、前进控制系统以及力感知系统,分别对该三个系统进行硬件和软件的设计与调试。在此基础上开展机器人弯曲实验以及模拟结肠实验,验证基于力感知的柔顺控制方法的正确性和可行性。实验结果证明:所设计的力感知系统能够在结肠镜机器人弯曲运动时对在结肠镜机器人本体部分施加的压力进行实时感知,可以满足结肠镜机器人柔顺控制的需要。另外模拟结肠实验也证明基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制算法可以有效地实时控制机器人与肠道壁的接触压力始终在安全阈值范围之内,使机器人可以根据肠道的弯曲状态实时控制机器人的弯曲姿态从而适应肠腔环境,避开障碍,柔顺地通过结肠。

关键词： 四足机器人   液压   单腿系统   建模   伺服控制系统   柔顺控制  

摘要： 腿足式机器人较其它形式的移动机器人而言具有更好的地形适应能力和运动灵活性,因此成为目前机器人研究领域最热门的方向之一,其中又以四足机器人最受青睐。为了实现四足机器人的高负载和高动态性,研究者开始将液压驱动的方式应用到四足机器人中,并获得了巨大的成功。液压驱动四足机器人是一个异常复杂的系统,倘若直接进行整机的研制,难度将非常大,与此同时,研究者们发现,对四足机器人的控制归根结底是对机器人每条腿的控制,可以说机器人的单腿系统是机器人控制的基础和关键,它的优劣将直接决定机器人的整体性能。本论文基于实验室搭建的单腿测试平台,对单腿的控制策略和伺服控制系统展开了相关研究,主要内容如下：(1)首先介绍了液压驱动四足机器人的研究背景,以及机器人单腿系统和液压伺服控制系统的发展现状,给出了论文的主要研究内容和章节安排。(2)单腿的运动学建模。分析了实验室现有的单腿测试平台,得到了其简化模型。在此基础上利用D-H齐次坐标变换法建立了三自由度单腿的坐标系,结合连杆参数给出了单腿的正向运动学方程,利用几何约束法实现了单腿逆运动学的求解。最后分析了单腿的足端工作空间。(3)单腿控制策略制定。针对液压驱动方式的特性,设计了PI控制器作为单个液压缸位置／力伺服的控制策略,设计了基于虚拟模型的控制器作为实现单腿主动柔顺的控制策略,为单腿的柔顺控制奠定了基础。(4)单腿伺服控制系统设计。设计了基于DSP的液压伺服控制系统,实现了单腿系统上三个液压缸的力、位置的混合控制,大大提高了单腿系统的静态及动态性能。(5)实验验证。设计设计了控制系统软件和硬件的实验、单个液压缸位置控制以及力控制略的实验、单腿主动柔顺策略的实验,验证了所设计的伺服控制系统和单腿的伺服控制策略。在此基础上设计并完成了单腿的连续跳跃实验。实验结果表明,本论文设计的伺服控制系统的各项指标均达到了预期的要求,设计的单腿控制策略切实可行。(6)总结了本论文的主要工作和不足之处,并对下一步的工作进行了展望。

关键词： 足式机器人   单关节控制   柔顺控制   能量轨道   高度控制  

摘要： 随着足式机器人技术不断发展,奔跑、跳跃等步态对足式机器人单腿性能提出更高的要求。在足式机器人高速奔跑或者跳跃时,腿部运动速度增加,对单腿跟踪性能提出更高的要求,单关节良好的跟踪性能成为提升单腿性能的前提条件,因此展开单关节控制方法的研究;在足式机器人高速奔跑或跳跃着地时,足端与地面之间会产生相当于机器人本体重力数倍的冲击力,单腿柔顺性有利于降低对本体的冲击,因此展开单腿柔顺控制与单关节力控制方法研究;为验证单腿性能及为足式机器人弹跳运动奠定基础,因此展开单腿弹跳运动稳定性分析与弹跳高度控制策略等方面的研究。本课题以四足机器人为研究背景,以单腿为研究对象,从单关节控制方法、单腿柔顺控制方法以及弹跳策略三个方面展开研究,主要研究成果如下:(1)为解决液压驱动单关节控制存在跟踪特性差的问题,本课题针对液压驱动控制算法展开研究,提出基于速度补偿和参数估计的方法,并结合滑模控制思想解决鲁棒性差的问题,实现较好的力跟踪结果。针对单关节位置伺服问题,采用双环控制方法,内环采用力控制算法,实现位置伺服的鲁棒性。(2)在足式机器人在高速奔跑或跳跃着地时,存在足端与地面之间具有较大冲击力的问题,为降低冲击力对机器人本体的影响,展开腿部柔顺控制方法的研究,基于虚拟弹簧模型的思想,采用阻抗控制方法,实现单腿控制柔顺效果。(3)在单腿弹跳运动研究中,针对庞加莱回归映射稳定性判据需要系统实时状态信息及单腿弹跳飞行期状态不可监测的问题,提出能量轨道稳定性判据,并通过仿真与实验证明其正确性和可行性。(4)针对单腿系统复杂问题,采用单腿等效模型研究运动过程及高度控制方法,并证明等效模型竖直弹跳运动的稳定性。根据单腿弹跳的运动特性,提出基于位置规划的高度控制方法和基于力补偿的高度控制方法,并通过实验验证前者的正确性与可行性。

关键词： 阻抗控制   轴孔装配   Matlab/Simulink仿真   柔顺性控制  

摘要： 随着时代与技术的发展,机器人技术得到了越来越多的关注。在一些如汽车等制造业中,大多数的工序都由机器人完成。但是这些机器人多采用位置、速度控制。只能完成一些简单的定点搬运、喷漆、焊接等任务,对于需要与环境进行交互的任务却束手无策。本文主要针对轴孔装配问题进行研究。结合1985年Hogan提出的阻抗控制算法,提出了基于阻抗控制算法的轴孔装配任务的方案,并对传统阻抗控制算法进行相应的改进,使机械臂在完成装配任务时控制效果得到改善。其主要工作内容包括以下几个方面:(1)本文首先对阻抗控制算法的原理和特点进行了详细的论述。推导了用于机械臂的阻抗控制律。(2)建立机械臂阻抗控制仿真实验平台,通过设置不同的阻抗控制参数的值和环境变量的值,观察并分析机械臂与环境交互时的仿真结果,得出阻抗控制参数的调整规律和环境变量对机械臂控制性能的影响规律。并据此提出了一种基于模糊控制调节刚度参数的阻抗控制算法,通过仿真实验论证该算法可以根据不同的环境参数合理的改变阻抗参数,从而使得机械臂在与环境交互时控制性能得到优化。(3)本文对基于阻抗控制算法的机械臂轴孔装配过程进行Simulink仿真,通过对轴孔装配各个阶段机械臂末端执行器的受力情况和运动情况进行分析,通过合理的调整阻抗参数,使机械臂的运动轨迹和力控制都达到轴孔装配各个过程的的要求。仿真结果验证了阻抗控制算法对轴孔装配任务的可行性。(4)针对轴孔装配过程中从动运动阶段提出了一种改进的阻抗控制策略,该控制策略通过对机械臂末端受力进行PID补偿,使机械臂在从动运动阶段末端受力的控制效果得到改善,并通过仿真实验进行验证。(5)对基于阻抗控制的机械臂轴孔装配过程不足之处作出总结,对完善轴孔装配任务提出了下一步研究的方向。

关键词： 分钢机械手   动力学   联合仿真   轨迹跟踪   阻抗控制  

摘要： 机器人的控制问题无论在理论界还是工程界多年来一直倍受人们的关注。当机器人系统模型精确可知时,利用反馈线性化技术可以很好地实现机器人的控制,然而现实的操作过程中机器人动力学模型的各个参数是变化的,同时还受到环境干扰和负载变化等许多不确定因素的影响,这就要求机器人控制系统具有较强的自适应性和较好的鲁棒性,因此有必要提出其它的控制方法。本文以模型未知的分钢机械手系统为研究对象,在现有文献的基础上,重点探讨了基于智能算法的力和位置控制。首先,本文介绍了课题研究的背景、目的、意义以及机器人轨迹跟踪控制和机器人力控制的发展现状；机器人的数学模型建立方法,并在此基础上,建立了分钢机械手在自由空间和约束空间的方程,并分析了其特性。其次,介绍了基于ADAMS与MATLAB的分钢机械手联合仿真。利用虚拟样机软件ADAMS建立了分钢机械手的虚拟样机模型,并进行了动力学分析,得出分钢机械手在分钢过程中会出现严重的冲击震荡现象；在MATLAB/Simulink中建立了联合仿真系统的控制系统；联合仿真技术的设计过程。然后,介绍了PID控制理论的知识,在此基础上,根据分钢机械手分钢过程中出现的轨迹跟踪问题,提出了基于鲁棒自适应PD轨迹跟踪控制方法,并通过联合仿真技术验证所设计的轨迹跟踪控制器的正确性和有效性。最后,研究了阻抗控制的原理、分钢机械手分钢过程中冲击震荡和不稳定性产生的原理以及机械手末端与环境接触等效模型,在此基础上,提出了基于位置阻抗的控制方法,并通过联合仿真技术验证所涉及的机器人力控制算法的有效性和正确性。

关键词： 液压驱动四足机器人   结构优化设计   液压伺服   柔顺控制   虚拟模型控制   阻抗控制  

摘要： 足式机器人以其非连续地面支撑、运动灵活、越障能力及环境适应能力强等特点,在诸多领域中具有广阔的应用前景。以四足哺乳动物为仿生对象来构造具有大负载能力、高动态性和复杂环境适应性的四足仿生机器人是近年来的研究热点。本文以提升机器人的动态性能和复杂环境适应性为目标,针对四足机器人结构优化设计、缸阀驱动单元动力学模型构建、高性能液压伺服控制和柔顺控制等问题展开了深入研究。从设计目标和工况分析入手,对液压缸尺寸和安装位置进行深入分析,确定了“对称安装”和“大行程、小缸径”的原则。对腿长和关节运动范围进行了非线性约束条件下的多目标优化。不仅增大了新机器人样机的腿部位形空间,而且显著降低了整机和腿部质量。基于合理简化,建立了阀控非对称缸驱动单元动力学模型,并通过实验辨识确定了模型参数。对位置PID控制的频率响应特性、稳定性和稳态误差进行了详细分析。采用液压力反馈校正环节提高了系统等效阻尼系数,改善了位置控制性能。基于液压驱动单元负载速度反馈和强非线性的特点,分别设计了基于模型的速度补偿算法和反馈线性化算法,提高了系统的力响应速度,减少了力跟踪误差。对虚拟模型控制、计算力矩法、阻抗控制等柔顺控制方法展开了分析和AdamsSimulink联合仿真验证。采用逆动力学补偿降低了腿部动力学强耦合和强非线性对足式机器人控制性能的制约。仿真和实验结果表明,逆动力学补偿可以在不牺牲位置控制精度的情况下,提高机器人的柔性。搭建了单腿平台,其实验表明:基于模型的柔顺控制算法不仅可以提高机器人的控制性能,而且还能显著减低腿部着地时的冲击力。本文不仅完成了四足机器人结构优化设计,还设计了液压伺服控制器和柔顺控制器,为实现四足机器人在复杂环境下的高动态性能控制提供了有效帮助。

关键词： 重型六足机器人   复杂地形   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 随着科学技术的发展和人们需求的提高,使用重型足式机器人代替车辆在复杂地形下进行物资和人员的运输成为了一个新的发展方向,而六足机器人兼有地形适应性高和承载能力高的特点,是这一研究方向的首选对象。相比于车辆,六足机器人自由度多,对驾驶员的操作要求过高,目前未见关于驾驶员如何实时操作六足机器人以适应复杂地形的相关研究成果报道。另一方面,重型足式机器人的重量和刚度的比值较大,机器人会发生变形,不可当做刚体来处理,而相关研究成果亦少见报道。因此本文针对由驾驶员操控的重型六足机器人在复杂地形下行走的柔顺控制问题展开研究。首先,根据足式机器人的特点,建立了基于足端离散点的地形拟合方法。针对驾驶员对车辆的驾驶习惯,根据拟合的地形,约束了机体的三个自由度,简化了驾驶员的操作。根据操作员给定的运动参数和地形几何参数,得到机体的运动速度和轨迹,再根据机体的运动轨迹自上而下的解算足端轨迹,完成了在驾驶员参与下的复杂地形中的机器人运动规划问题,并可在一定程度上柔顺机器人的运动。其次,以机器人的变形为切入点,建立了腿部弹簧阻尼模型,提出了一种基于变形协调约束的足力分配方法,并分析了足力分配有解的情况。采用了阻抗控制方法实现实际足力动态跟踪目标足力。根据解算的足力和机器人腿部弹簧模型,解算腿部变形并进行补偿,对机体位姿进行前馈补偿;根据目标位姿与实际位姿的差值,通过悬挂模型对机体位姿进行反馈调节。最后,建立了重型六足机器人虚拟样机模型,分析了机器人的受力情况并建立了简化的机器人柔性模型。依次建立了平坦水平面、崎岖水平面、复杂地形、柔性地面模型,分别在这些地形上进行了仿真实验,对比了添加位姿调节和足力调节前后机器人的各项参数,分析了调节效果。

关键词： 仿人机器人   摔倒检测   运动规划   柔顺控制  

摘要： 仿人机器人在行走和作业过程中往往会因自身或者环境因素摔倒,机器人摔倒可能导致其自身部件损坏,无法完成任务。目前国内外已经开展了仿人机器人摔倒保护的研究,其中大部分采用仿生手段对机器人进行摔倒运动规划。然而,对于仿人机器人摔倒利用手臂支撑减小损伤的情况鲜有研究。本文开展关于仿人机器人前摔保护的研究,利用摔倒检测机制判断机器人的状态,提出了仿人机器人摔倒保护策略,提出手臂着地时最佳触地点的概念,利用手臂柔顺控制实现仿人机器人摔倒的软着陆。主要内容和研究成果如下:首先,提出了基于支持向量机的仿人机器人摔倒检测方法,对机器人摔倒时采集胸腔加速度数据和脚底的压力数据进行分类并标签,从而获得了判定机器人摔倒的临界状态。其次,针对目前机器人摔倒理论未考虑机器人手臂触地问题,提出了仿人机器人前摔运动控制方法,建立了机器人摔倒动力学模型,解决了仿人机器人摔倒最佳触地点的选取问题。再次,针对仿人机器人摔倒时手臂触地后冲击力大的问题,提出了仿人机器人手臂柔顺控制方法。当机器人受到外力或扰动失去平衡时,利用手臂的机械柔顺减小机器人手臂触地瞬间的冲击力。根据主动柔顺控制策略,建立了手臂主动柔顺控制器,实现仿人机器人摔倒的软着陆,进一步减小机器人手臂接触地面时的冲击力,保护机器人的核心部件。最后,建立了仿人机器人动力学仿真模型,在Adams下对仿人机器人摔倒保护策略进行了仿真验证。仿真实验结果证明了仿人机器人前摔保护策略的有效性。

关键词： 骨骼肌   半唯象生物力学模型   变频调控原理   EMG信号   振子模型   外骨骼机器人   人机力交互接口   主动柔顺性控制  

摘要： 目前,主流的外骨骼控制策略（力、位置或力位混合控制方式）从原理上存在滞后,难以达成真正的人机一体化。因此,很多研究已尝试将人体的肌电信号（EMG）作为控制信号引入外骨骼系统,以期解决滞后性难题。虽然这些研究取得了一定效果,但关于如何选取合适的基于EMG提取的特征量,以及如何将这些量合理地引入控制系统仍未揭示清楚。针对以上难题,本学位论文旨在首先明确人体骨骼肌收缩与关节运动的生物力学机理,其次,面向实时工程应用得到相应的控制学模型;最后,以膝关节为对象,实现下肢外骨骼的主动柔顺控制。为了尝试从EMG中高效地提取正确的肌肉激活量信息,需要从EMG信号的产生源头——运动神经元所发放的动作电位出发,首先研究动作电位调控及驱动肌肉收缩的控制学机理。在此基础上,探索如何建立面向肌肉力实时预测的新型骨骼肌生物力学模型,从而明确从EMG特征量到骨骼肌力产生的控制学内涵,包括模型各物理量之间的输入输出关系。其次,从生物力学原理出发,尝试开发全新的基于EMG物理模型的特征量提取算法,使其能够适用于骨骼肌激活程度的实时表征。最后,基于新型骨骼肌生物力学模型,分析人-外骨骼之间的耦合动力学与人机交互力的产生机理,并利用在线智能控制算法建立新型人机力交互接口,进行人体膝关节运动的实时预测与外骨骼主动柔顺控制。论文的主要研究内容与成果归纳如下:1)骨骼肌收缩的生物电化学变频调控原理。以兴奋-收缩偶联过程（ECC）为对象,建立了肌膜动作电位活动与由之引发的胞浆Ca2+浓度([Ca2+])变化的生物电化学模型;以此模型为基础,从控制学角度阐明了骨骼肌收缩功率的调控方式,即作为控制信号的动作电位如何调控作为驱动信号的[Ca2+],及其间接调控肌肉收缩力的原理;明确了动作电位对骨骼肌动态收缩功率的调控方式是变频控制,并基于EMG特征频率与运动单元主导放电频率的关系,设计实验对变频调控原理进行了初步验证。2)骨骼肌收缩的半唯象生物力学模型。针对实时预测肌肉收缩状态这一挑战,提出了肌小节运行过程中各动力学环节的解耦框架,通过整合线性与非线性动力学框架,构建了肌小节的半唯象模型。为了便于工程应用与控制,模型包含很少的参数并且不包含任何偏微分方程,使其高度精简且相比传统模型计算效率大为提高。通过仿真模拟多种收缩状态（包括等长、等速）,验证了模型的有效性。3)EMG信号的振子模型与骨骼肌激活量的能量核表征方法。提出了一种肌肉激活量与肌肉固有特性表征的新方法,称为能量核方法。其初衷在于将EMG信号转变为平面内的相图,而相图上状态点的分布核心即称作能量核。基于相图的统计特征,将一段EMG信号近似为简谐振子——EMG振子。进而初步从生物力学角度将控制信号（EMG）与输出信号（力/功率）联系了起来,并用EMG的特征能量来表征肌肉收缩力。4)人机力交互接口与下肢外骨骼机器人的主动柔顺性控制。针对后期康复中的“病人主导模式”需求,提出了针对外骨骼膝关节的交替式预测-补偿运动控制框架。基于骨骼肌的半唯象模型与人机物理交互机理（HMIM）设计了新型人机力交互接口,包括一个在线自适应运动预测器(利用集中时间延迟型神经网络（focused-time delay neural network,FTDNN）构建),以及一个采用标准的力位混合控制策略构建的补偿器,人机力交互接口的输入信号包括EMG、转角位置以及交互力信息。其中,骨骼肌的激活量信息通过EMG的能量核方法提取。初步实验证实了此交互接口对于改进人机集成膝关节柔顺性的有效性。

关键词： 四足机器人   虚拟模型控制   牛顿-欧拉方法   柔顺控制   能量规划  

摘要： 制造出人工的、拥有腿足结构的、类似于动物的智慧代步机械,比肩造物主,一直是人类从古至今从未间断过的梦想,这一梦想持续的时间恐怕比人类翱翔于蓝天的梦想还要长。BigDog的出现犹如一针兴奋剂,在全世界范围内掀起了一股四足机器人研究的热潮。然而,在现今的科技水平下,人类能够制造出怎样的腿足移动机械,这些腿足机械又能够帮助人类发现什么或者完成什么工作呢?这些腿足式的移动机械与我们现有的车辆等运输工具相比,又有哪些优势呢?面对这一课题的挑战,我们设计并研制成功了SCalf液压驱动四足机器人。本文针对SCalf研制过程中的系统结构设计、柔顺控制方法设计与实现以及基于平面模型的跳跃控制三个方面展开论述,主要内容如下：1、针对SCalf机器人本体各个子系统的分布特点,设计了具有双CAN总线的集中式控制系统,并进行了工程实现工作；随后以提高伺服带宽、实现关节力矩控制为目标,在原有集中控制的基础上,对伺服系统进行了分布式、数字化改造,同时设计了基于该系统的分布式控制方法；基于上述分布式系统中的单腿伺服控制器,设计并实现了面向力控制的单腿测试平台。2、基于牛顿-欧拉方法建立单腿系统的动基座动力学模型；设计开发了基于足底力检测与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于足底力推算与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于虚拟模型及关节力控制的足端柔顺控制方法,完成仿真分析及实验验证,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中。3、基于虚拟模型控制与能量规划的方法,对以trot步态运动的机器人奔跑及跳跃控制进行了研究,并在虚拟物理环境中进行了仿真实验；通过对机器人躯干姿态的检测,增强了该方法对崎岖地形的适应能力；在文中所提方法的假设条件不满足的情况下,对该方法的鲁棒性进行了实验与分析。通过以上的研究,本文的研究成果如下：1、设计并实现了基于双CAN总线的液压四足机器人集中式控制系统,并在其基础上首次在液压驱动大型四足机器人上实现了基于现场总线与单腿伺服控制器的分布式控制系统,并提出了适合四足机器人的分布式控制构架。2、搭建了室内液压驱动的平面单腿测试平台,开展了面向全力矩控制的单腿运动实验以及足地交互效果实验。3、基于牛顿-欧拉方法建立了单腿动基座动力学模型,以此为基础进行了基于足底力检测、足底力推算以及虚拟模型的腿足柔顺控制实验,提出了适合SCalf-Ⅱ型四足机器人的柔顺控制方法,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中,效果良好。4、提出了基于虚拟模型及能量规划的四足机器人平面跳跃控制方法,该方法适应于崎岖地形,具有很好的鲁棒性和工程可实现性。本文在针对学术问题进行研究的同时,将实现成本与制造、维护难度等因素考虑进来,并通过虚拟物理仿真环境实验和物理样机实验,证明了结论具有很强的可实现性。