关键词： 四足机器人   液压驱动   柔顺控制   平衡控制  

摘要： 详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适应能力.在实际运行实验中,验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力,以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力,证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求.

关键词： 机器人   模型   控制系统   末端执行器   广义比例积分   柔顺控制  

摘要： 为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。

关键词： 微操作   微装配   微力觉   微力测量   柔顺控制  

摘要： 微力觉的测量与控制技术是微操作/微装配领域内的核心内容和难点课题,是满足微器件可靠操作与无损装配要求的重要技术保障之一.本文介绍了微操作/微装配机器人系统的典型框架,并对各分系统的研究要点做了分析与回顾.然后,从微力觉的特点、微力测量方法与传感器、微力觉控制三个方面对微力觉的测量与控制技术的发展现状进行了综述.着重介绍了近些年在远程微操作系统和微操作/微装配系统中微力觉控制的方法及核心研究内容的研究成果.在此基础上,提出了微力觉测量与控制亟待解决的一些关键问题,并对这些关键问题的解决方案进行了探讨.最后,对微力觉的发展前景和方向进行了展望.

关键词： 机器人   套索驱动   柔顺机构   有限元分析   运动控制  

摘要： 为了提高狭小空间进行搜救行动的效率，国内外很多学者对救援机器人开展了大量的研究。本课题组在国家自然科学基金的资助下，已经开发了一套细长搜救机器人系统。为了实现在救援行动中的软操作，防止附加伤害必须要求执行器末端带有传感器，这就给紧凑的头部关节的机构设计带来了难度。本文正是为了解决这一问题，设计了一款新型的细长机器人的末端执行器。\n 传统的刚性机构由于尺寸的限制无法满足搜救机器人的需求，加上刚性机构带来的安装、摩擦以及间隙等问题，使得机器人难以完成高精度的运动控制。本文运用柔顺机构学理论，创新了机器人末端执行器的结构设计，采用柔顺机构来实现各个关节的运动。通过柔顺铰链处的弹性变形来测量关节的运动参数，实现了自传感功能。整个末端执行器由三种关节构成，分别是:夹持关节、双轴弯曲关节和绕轴心线旋转关节。选用电阻式应变计作为敏感元件，采用常见的高精度仪表放大器来进行信号采集，并进行了关节的静态参数标定。\n 为了实现软操作的目标，本文针对夹持关节开展了位移跟踪控制实验以及柔顺控制实验。添加了平台前馈补偿和套索逆模补偿的算法可以很好的实现精密的位移跟踪控制。考虑到力信号和位移信号的区别，选用模型参考自适应方法来实现夹持力的控制，最后为增加夹持器在运动过程中的柔顺性，分别开展了力/位混合控制和阻抗控制，实验结果表明，该机器人能够完成预定的动作并实现软操作技术。

关键词： 采摘机器人   末端执行器   广义比例积分控制   柔顺控制   抓取试验  

摘要： 研究面向应用的果实采摘机器人是实现果实收获作业机械化、自动化，保证果实的实时采收、降低收获作业费用，促进果实种植生产增效的重要途径;同时对于解决当前国家正面临的劳动力短缺，提高劳动生产率，调整我国农业产业结构有着重要的意义。由于果实的表皮较薄、易损伤，收获机器人末端执行器采摘损伤率较高，完好率低。要实现对果实的无损伤抓取，就要求果实采摘机器人末端执行器具有一定的柔顺性。论文主要研究果实采摘机器人末端执行器的主动柔顺控制方法，即从力控制的角度出发，解决目前末端执行器采摘、抓取时容易损伤果实的弊端，提高果实抓取完好率。完成的工作主要包括:\n (1)以设计安装在刚性手臂顶端的两指末端执行器为研究对象，将末端执行器的动力学模型看作质点模型，分别对驱动电机和末端执行器建模，进而得出末端执行器整体模型。\n (2)基于果实采摘机器人末端执行器抓取特点和要求，提出一种基于广义比例积分的力矩控制方法。在对末端执行器分析和建模的基础上，设计基于广义比例积分的力矩控制器。为了避免计算力矩跟踪误差速度，保证力矩控制系统的实时性，且使力矩控制系统对由力矩跟踪误差和恒定扰动构成的斜坡误差具有鲁棒性，在力矩控制器中加入了积分重构器，该积分重构器不影响控制系统闭环特性。根据末端执行器的物理参数，设计控制器的控制参数，建立仿真模型，采用多种信号作为参考力矩，通过仿真验证所设计的力矩控制器的性能。\n (3)基于抓取稳定性的原理，分析两手指末端执行器抓取稳定条件。从实际出发，将目标果实的重力以及末端执行器运动时的加速度考虑在内，对末端执行器抓取目标果实的受力情况进行分析，得到在保证对目标果实实现稳定抓取的条件下末端执行器施加的最小抓取力，为采摘试验提供系统输入设定力矩。\n (4)末端执行器分别采用广义比例积分控制和传统比例积分控制对苹果和梨进行实物抓取试验。试验结果表明，相对于传统比例积分控制，基于广义比例积分的力矩控制具有良好的力矩跟踪能力和较高的抓取完好率，适合应用于末端执行器的采摘抓取。

关键词： 轻型机械臂   柔性关节控制器   参数辨识   连接和阻尼配置的无源性控制   动态摩擦补偿  

摘要： 目前，随着人口老龄化和劳动力资源匮乏等现象日益严重，迫切需要机器人代替人类实现部分操作。机械臂作为机器人关键系统之一，其灵巧操作能力和与环境的友好性，很大程度影响机器人的应用范围。本文结合国家863计划先进制造技术领域“仿人机器人高性能单元与系统”重点项目中灵巧臂课题，进行轻型机械臂系统设计，从控制器结构、关节参数辨识和控制方法等方面深入地研究了轻型机械臂的位置控制、阻抗控制和零力控制等。 本文首先根据轻型机械臂的特点，建立了一套6自由度机械臂系统。由于机械臂关节内部集成了谐波减速器和力矩传感器的柔性元件，本文将轻型机械臂关节作为一种具有弹簧阻尼的柔性关节进行控制。通过分析柔性关节控制，将柔性关节控制律的非线性部分和线性部分分别在基于数字信号处理器(Digital Singnal Processor, DSP)的笛卡尔空间控制器和基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的关节控制器中实现。关节控制器不仅实现了传感器信息的采集和处理等功能，而且包含了采用高速硬件描述语言（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, VHDL）编写的电机矢量控制模块，电机矢量控制的周期可以达到50s，为关节控制周期的1/4，保证了电机能够跟踪柔性关节控制器给出的期望电机力矩。在关节控制器基础上，根据电机电流信息、关节力矩信息、电机速度信息等，通过设计不同的实验实现了柔性关节关键参数的辨识，例如关节刚度、阻尼和摩擦力等，为后续柔性关节控制的仿真和实验提供了准确的模型参数。 在柔性关节控制理论方面，本文首先将柔性关节系统简化为具有明确物理含义的端口受控的耗散Hamiltonian系统(Port controlled Hamiltonian Systemswith Dissipation, PCHD)形式，然后，通过分析PCHD系统中连接矩阵和阻尼矩阵的形式，以及研究传统的无源性控制方法，提出了一种采用连接和阻尼配置的无源性控制方法（IDA PBC）用以实现柔性关节机械臂的柔顺控制。该方法通过改变闭环系统的连接矩阵和阻尼矩阵实现对系统能量整形和阻尼注入，使得闭环系统在期望的位置处渐进稳定。最后，在Simulink仿真环境中借助SimMechanics工具箱搭建了柔性关节模型和关节控制器，仿真结果验证了上述方法的有效性。 考虑到摩擦力对柔性关节机械臂的性能影响较大，尤其在低速、低刚度的阻抗控制的情形下，因此本文利用IDA PBC方法设计了动态摩擦观测器。该动态摩擦补偿方法不仅改善了轻型机械臂的位置和力跟踪性能，而且保证了机械臂控制系统的稳定性。通过6自由度轻型机械臂柔性关节实验验证了摩擦补偿的有效性。结果显示，在位置控制中，加入动态摩擦补偿的柔性关节系统的位置精度和力矩抖动抑制效果都有了明显的提高；此外，在阻抗控制实验中，采用动态摩擦补偿的控制也具有更好的力跟踪效果。 最后，将上述研究成果集成到轻型机械臂系统中，通过实现笛卡尔空间的位置跟踪、阻抗控制和零力控制等实验，验证了轻型机械臂系统及控制算法的有效性。

关键词： 模具抛光   3-RPS并联机器人   姿态控制   模糊自整定PID   串行通信  

摘要： 随着制造业的迅速发展，对模具的加工质量及效率的要求也就越来越高。模具抛光技术是模具加工工艺中的一个环节，在模具加工中起着至关重要的作用，抛光加工质量直接影响被加工对象表面质量精度。模具抛光技术的提升对模具产业的发展起着至关重要的作用。 为推动模具抛光技术的发展，本文设计了一种基于PC上位机的3-RPS并联机构机器人控制系统，作为模具抛光执行机构姿态控制的核心，改善模具抛光的加工质量。3-RPS并联机器人姿态调整的控制精度，直接影响模具加工工艺中被加工工件的表面质量精度。主要工作如下： 1．对3-RPS并联机器人的运动学、动力学问题做了详细分析，对姿态控制模型进行求解； 2．分析气动定位控制系统的工作原理，在现有的硬件条件下搭建气动定位控制系统硬件平台，然后完成3-RPS姿态控制系统的硬件平台的组建，得到3-RPS并联机器人。 3．从理论分析的角度对单个气缸的定位控制系统进行研究，建立气动定位控制系统的控制模型，得到控制系统传递函数。选择并运用自整定Fuzz-PID控制算法对气动定位控制系统进行Matlab（simulink）仿真，对PID的三个参数进行优化验证。 4．以Visual C++为开发平台，开发了基于Fuzzy-PID的气动定位控制系统。简要分析计算机串口通信，完成了数据采集、控制输出模块与计算机进行串行通信的功能。实现了对单个气缸的精确定位控制，最后完成了3-RPS并联机器人姿态控制。 3-RPS并联机器人控制系统能够根据被加工自由曲面表面的变化，调整并联机构动作姿态。本文研究的重点是3-RPS并联机器人姿态控制系统，完成并联机器人动作姿态调整的精确控制，提高模具抛光执行机构的控制精度，达到了预期控制效果。

关键词： 云台   飞行器   柔顺控制   镜头   遥控器   单人操作   交河故城   画面   飞机  

摘要： 今年六月,带上HighOne和GH4走上了大西北的丝绸之路,炎炎夏日,吐鲁番的地表温度达到了55摄氏度。据说这已经是乌云遮挡的情况下的气温。我们随同新华社"新丝路,新梦想"采访报道团一行,从甘肃敦煌出发前往新疆乌鲁木齐,完成丝绸之路其中一段路线的拍摄。这里的能见度非常好,当我把拍摄的图片发到微信朋友圈的时候瞬间引来了几十个点赞,很多人

关键词： 移动作业机构   开门   MATLAB/ADAMS   柔顺控制  

摘要： 随着机器人技术的不断进步，越来越多的机器人被应用到军事、航天、医疗等领域。日本福岛核事故发生后，众多先进机器人被投入到救援当中，救援过程展现出了机器人的优势，也暴露出了机器人在复杂环境下作业的许多问题。本文将针对核事故救援当中的常见工作任务设计一款具有六自由度机械臂的力学测试平台，主要完成以下工作。 首先，完成了力学测试平台的方案设计。从硬件组成、软件组成及通信接口三个方面分别进行设计。对市面上销售的常见机械臂进行了分析并选型。对末端主要任务及受力状态进行分析选择合适的力传感器。完成电源及移动机构的选择。对机械臂与移动机构之间的连接部分的主要尺寸进行分析设计。通过对雅阁比矩阵奇异性分析获得满足要求的末端布置位置。 其次，推导了六自由度机械臂的运动学模型。通过分析关节角速度对末端运动速度的贡献计算了雅阁比矩阵的显式表达。运动拉格朗日方法计算了机械臂的动力学方程，编写了相应程序。完成了对机械臂末端力传感器初始数值的补偿，可通过力传感器准确获得机械臂末端的接触力。 然后，运用设计的力学测试平台及推导的数学模型进行开门动作分析。规划了开门过程中笛卡尔空间的轨迹。选取了两种不同的开门姿态进行对比，分析了两种姿态开门过程中关节受力情况及运动情况。对按门把手过程进行仿真，分析了不同机械臂布置位置、不同质量、不同摩擦因数对按门把手过程的影响。分析了机械臂工作空间对拧阀门高度的影响，对拧阀门过程进行了仿真。 最后，对机械臂要实现的三个主要任务：开门、拧阀门、更换末端装置进行了分析，为每个任务的不同工作阶段选择了合适的控制方式。对基于模型的计算力矩控制方式以及不基于模型的单关节PID独立控制方式进行了设计及仿真，对给定轨迹有良好的跟踪效果。针对自动更换末端任务设计了基于位置控制的柔顺控制方式，使得机械臂的末端可以在导引平面的导向下顺利进入操作末端，进而完成末端更换任务。

关键词： 球型手腕   轨迹跟踪   柔顺控制  

摘要： 随着现代工业的发展,机器人开始逐步替代人类完成生产与生活中的各项实践活动。在航天、深海、核工业等领域中,作业环境具有危险性大、工作空间狭小等特征,不适合人类实地作业,因此需要高性能机器人代替人类。其中,机器人的腕部关节具有结构紧凑,重量轻,功重比大等特征,是极限工作环境中的重要部件。机器人手腕的功能是通过局部微小调整来改变机器人末端执行器的姿态,腕部的性能将直接影响机器人的定位精度和灵活性。 本文提出一种高集成解耦球型手腕,上、下半球偏置安装,传动链中采用内、外部双万向节传递运动,可以实现俯仰、侧摆和自转三个方向的自由度。对球型手腕作了运动学分析,建立了运动学数学模型,分析了手腕的运动解耦机理;得到雅克比矩阵,并利用雅克比矩阵分析了手腕运动空间的奇异位置。建立动力学数学模型,对进一步的运动控制打下基础。 为实现手腕的运动控制,设计了圆弧插补方式与直线插补方式两种轨迹规划模式。针对球型手腕的轨迹跟踪问题,设计了一种全局快速Terminal滑膜控制器,由Lyapunov函数对此控制器的稳定性做出了证明。对于控制系统中的不确定上界,采用RBF神经网络算法进行评估,有效的缩短了控制算法的收敛时间,消除了控制中存在的“抖颤”问题。在MATLAB软件中的Simulink环境下对轨迹跟踪控制算法进行了仿真分析,验证了算法的有效性。 针对球型手腕的柔顺控制问题,设计一种基于摩擦力补偿技术的柔顺控制方法。建立手腕摩擦力模型作为前馈补偿项,编写遗传算法辨识摩擦力模型中的各项参数。传感器测量手腕末端执行器所受的六维力,通过坐标变换、雅克比矩阵力变换,最终转换成电机的输出扭矩,实现执行器末端与外界交互力为零的控制目的,即实现“零力”跟踪。在MATLAB软件中的Simulink环境下对控制算法进行了仿真分析,验证了柔顺控制算法的有效性。 本文所提出的球型手腕运动平稳,轨迹跟踪效果好,柔顺控制模式极大的丰富了手腕的作业用途。该球型手腕在航天、康复机器人等领域中有很大的应用价值。