关键词： 风电叶片   爬壁机器人   路径规划   柔顺控制   端口网络系统  

摘要： 本文针对目前检测风电叶片表面故障手段不足的现状，提出爬壁机器人攀爬叶片检测方案，并基于样机探讨了叶片表面路径规划和机器人吸附足触力控制问题，其主要研究工作如下： 首先，研究能够适应曲面变化的移动机构和吸附机构，基于静力学平衡分析了机器人安全吸附条件；基于D-H描述法分析了机器人质心运动学，给出了机器人机构和吸盘半径设计的参考条件，探索了双足机构的越障能力。 其次，针对叶片表面的路径规划问题，探讨三维路径规划的适用性；基于神经网络方法，通过与模拟退火法相结合，设计了一种基于碰撞罚函数神经网络结构的三维路径规划算法；根据叶片曲率变化范围设计了退火温度加权系数的计算方法。仿真实验验证了所设计的算法能够规划出叶片表面的最优可行路径。 再者，针对爬壁机器人吸附足与壁面接触过程中接触冲击力较大的问题，探讨了机器人触力柔顺控制方法；借鉴步行机器人的落地力柔顺控制PO/PC算法，建立了爬壁机器人吸附足与叶片壁面的端口网络系统模型；基于无源性理论，从端口网络系统能量变化角度推导了吸附足运动控制系统的触力柔顺控制算法，并通过实验与其他控制方法相比较，验证了该方法的可行性。 最后，开发了三自由度机器人实物样机；选取ATI公司的Mini45型测力系统，在样机上进一步验证触力柔顺控制PO/PC算法的效果，吸附足触壁冲击力减小到22N，水平壁面双足稳定支撑时足端受力大小为21N，消除了“跳跃”现象，并在类风电叶片表面进行了实际攀爬实验。

关键词： 柔顺关节   并联机器人   动力学   趋近律滑模控制  

摘要： 对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究.基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程.为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性.仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性.

关键词： 自由曲面   研抛工具   柔顺控制   研抛去除机理  

摘要： 纵观国内外现有的自动化研抛技术研究与设备研制,无论是机器人还是数控机床对于研抛过程中的运动控制技术都比较成熟,而对于曲面研抛的力/位混合伺服控制所必需的核心技术—主动柔顺控制技术,虽然得到了先进计算方法和现代控制理论的支撑,但很多仍处于理论研究和仿真阶段,部分见报的研究成果,由于其控制策略较为复杂,对于曲面研抛的力/位混合伺服控制,仍然难以胜任。针对以上问题,本文研制了一套基于气压传动装置的自由曲面柔顺研抛工具系统,能与数控铣床相集成,通过数控铣床对自由曲面的变化轨迹进行精确进给位移伺服,用气压传动装置准确控制任何姿态下研抛工具头与工件表面之间的研抛压力,从而实现了对研抛加工过程的力-位-姿解耦控制。通过对工具系统的结构分析,以几何方法建立了研抛头摆角的数学模型;在确定设计变量、建立目标函数、确定约束条件后,得到了研抛头摆角的优化设计模型;利用MATLAB编写了优化求解程序并进行了计算求解,得到了工具系统自适应角度的最优解,使得工具系统具有了更好的自适应能力。通过MATLAB系统辨识工具对研抛力控制系统进行模型辨识,推导了系统的传递函数;在MATLAB/Simulink中建立了控制系统的传递函数模型,通过对控制系统的性能分析,运用临界比例度法和试凑法设计了PID控制器;并利用Simulink对无PID控制和PID控制下系统的阶跃响应性能进行了仿真实验,使得系统的控制性能得以明显改善。基于Lab VIEW数据采集系统,搭建了工具系统的实验研究平台。测量了研抛过程中的法向力、切向力;研究了不同参数下的摩擦系数变化情况,重新演绎了基于Preston方程的研抛去除机理。

关键词： 6-UPS并联机构   阻抗控制   模糊自适应   MRAC自适应  

摘要： 作为在轨组装技术的重要核心，空间对接技术的研究水平迅速成为衡量一个国家空间技术水平的重要因素。而在空间对接的接触与缓冲阶段，在外界环境未知或频繁变化的情况下，对接系统可能会出现不稳定状况，接触力较大、鲁棒性较差。本文针对这一问题，对火箭在轨组装对接机构的主动柔顺控制方法进行了深入探索，在理论研究和试验验证上取得了有效的成果。 首先，对空间对接机构的构型和运动学进行分析。在完成对接机构的机械结构分析后，对机构的构型进行抽象和分析，并巧妙设定参考坐标系与机构的基本参数。在此基础上，推导出6-UPS并联机构的逆运动学方程，得到了精确的解析解。之后，结合算例，对Newton法、逆Broyden秩1法和神经网络法在求取运动学正解中的应用进行了研究和比较。 接着，为减小对接过程中的接触力和力矩，选择阻抗控制方法，对对接机构的主动柔顺控制策略研究进行研究。基于机构运动学、测力预处理方法和阻抗控制器的基本原理，建立了基于位置内环的阻抗控制系统，并对其稳态特性和离散化方法进行研究。之后，完成测力解算方法的研究，成功将拉压力传感器检测到的单维力转化为六维接触力。在此基础上，完成了接触与缓冲阶段的仿真，对该系统在环境突变条件下的基本特性进行分析，并对阻抗控制参数的调整原则进行了总结。 然后，为提高阻抗控制系统应对环境突变的能力，对阻抗控制的自适应方法进行研究。分别将模糊控制方法和MRAC控制方法应用于原有阻抗控制系统，成功实现了自适应改进。其中，前者是通过对阻抗控制器目标惯量和目标阻尼的模糊调整实现的，而后者是通过对目标位姿进行二次修正实现的。之后，完成两自适应系统的仿真研究，验证并比较了两方法的自适应效果。 最后，对火箭在轨组装对接的地面试验进行研究。对地面试验系统的组成、对接系统的机械结构和控制系统结构进行介绍。在此基础上，设计了箭体主动式和对接机构主动式两种高可行性对接试验方案，并对两方案进行介绍与比较。之后，对两种对接试验的过程进行介绍，并对各项试验指标进行分析，成功验证了两试验方案的可行性和自适应阻抗控制方法的良好应用效果。

关键词： 康复训练机构   测控系统   电机驱动   轨迹控制   柔顺控制  

摘要： 随着康复医学、控制技术与机器人技术的研究和发展，康复训练器械越来越多地在医疗领域展开应用。康复训练器械针对有运动障碍的患者，在不同的康复训练模式下辅助患肢进行康复训练运动，实现患肢肌肉锻炼、运动训练以及神经功能的恢复训练，使患肢达到逐步康复的目的。 目前，国外上肢康复设备存在控制复杂、价格高昂等缺点，而国内大部分的上肢康复训练设备训练运动局限于水平面内，无法对重力场内的手臂运动进行训练。有鉴于此，论文开发一种矢状面内2-DOF手臂康复训练机构，使用ARM计算机控制关节电机实现机械臂运动，可以对肩关节和肘关节进行康复训练。论文主要完成如下工作。 1)设计了手臂康复训练机构总体方案，主要包括机械结构、测控系统方案、传感器的布置、电机选型及驱动方案等。根据方案要求，设计了手臂康复训练机构的机械平台。 2)研究了测控系统数据采集与处理、电机驱动与控制等技术，使用多维力传感器检测人机作用力，设计了手臂康复训练机构的测控平台，其硬件电路包括：传感器信号调理电路、AD转换电路、编码器信号处理电路、电机驱动电路和电源电路等。 3)针对手臂康复训练机构的被动运动康复训练模式，在手臂康复训练机构连杆结构坐标系下，建立手臂康复训练机构运动学和动力学模型，并完成仿真分析。在被动运动训练模式下，设计了轨迹控制器，进行了轨迹控制的仿真和实验，结果表明，肩部运动轨迹误差范围为-1°2°之间，肘部运动轨迹误差范围为-2°2°，达到康复训练要求。 4)为保护患肢和机械臂，使人机作用力在安全范围内，对康复训练机构的柔顺控制进行了分析，对基于位置的阻抗控制法进行建模和仿真，并进行了实验。仿真和实验结果表明，阻抗控制法能够将人机作用力调整在预定的-3N m3N m范围内，避免对患肢形成二次伤害，使康复训练机构更加人性化。

关键词： 多足步行机器人   逆运动学   结构优化设计   阻抗控制   自适应控制   柔顺控制   稳定性   适应性  

摘要： 近年来,多足步行机器人因其具有良好越障和避障的能力,以及在复杂地表上行走的较强的适应性,已经成为国内外研究的热点。理论上良好的环境适应性和运动灵活性使得多足步行机器人在未来必然有着广阔的应用前景。多足步行机器人灵活的运动能力来源于腿部大量的自由度,所以腿部柔顺控制是多足步行机器人能否顺利行走和执行任务的关键,同时也是步行机器人能否快速行走、小跑甚至奔跑的前提。但是,当前多足步行机器人只具有较差的脚力跟踪能力和腿部柔顺控制能力,很难实现在未知环境中的复杂任务,因而大大影响了其推广和实用化进程。针对这一问题,本文以多足步行机器人满足灵活运动和降低能耗为目标,提出了基于能耗和目标工作空间腿部优化设计方法。并以此为基础,提出了基于自适应-模糊控制的柔顺控制策略,在多足步行机器人腿部柔顺控制平台上进行了相关实验及分析。 第1章介绍了多足步行机器入主要应用场合和应用前景,提出了本课题的研究意义。在此基础上,详细描述了国内外多足步行机器人发展历程和进展。并且对当前国内外机器人柔顺控制技术研究现状进行了详细的描述。此外,还重点介绍了国内外多足步行机器人领域中柔顺控制的研究现状,分析了这一领域目前主要的研究方向和研究热点,最后,提出了本课题的主要研究内容。 第2章首先介绍了步行机器人腿部柔顺控制实验平台,并对机器人平台硬件配置和软件架构进行了详细的描述。然后并建立了腿部模型和机器人足端与环境的等效模型,通过进行D-H建模和运动学分析,对关节空间下机器人足端正／逆运动学进行了求解。在此基础上,给出了半球形足端正／逆运动学分析的修正算法。针对现有半球形足端轨迹修正算法的缺点,提出了基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）的半球形足端轨迹修正算法。 第3章根据多足机器人实际运动空间的冗余性对机器人腿部结构造成多余尺寸和能耗的问题,提出了基于能耗和工作空间的三关节腿部结构通用优化设计方法。通过对多足机器人腿部系统能耗分析和机器人足端空间运动学分析,建立了不等式约束下的非线性规划数学模型,并应用增广拉格朗日遗传算法来寻找全局优化解。通过与优化前的腿部结构进行对比,优化后的结构尺寸和关节转动范围明显减小,运动空间的冗余性得到改善。通过该方法得到的结果能满足实际工作的要求、具有较好的可操作性,并且在满足转向和越障要求的前提下能够达到减小系统能耗的目的。 第4章针对多足步行机器人腿部柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应阻抗控制算法的腿部柔顺控制策略。在建立多足机器人单腿位置控制模型和阻抗控制模型的基础上,分析了阻抗控制的稳态误差,推导了间接自适应控制算法。该算法通过李雅普诺夫渐进稳定定理实现对环境参数的估计,达到对期望脚力的跟随。通过仿真与实验分析,该算法能够在实际应用中快速的估算期望脚力,实现已知环境中足端脚力的闭环控制,并能有效的减小足端与地面的接触冲击。 第5章针对在未知环境下进行柔顺控制的问题,提出了一种基于自适应-模糊控制算法的腿部柔顺控制策略。通过对自适应控制参数进行分析,运用模糊控制算法对其参数进行在线修正,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。本章还对阻抗控制的稳定性和自适应控制算法鲁棒性进行了分析,并给出了保持系统稳定时环境位置偏差的上下界。通过比较分析,证明了自适应-模糊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。在此基础上还进行了自适应-模糊算法下的静态、动态脚力控制实验以及不同控制算法、不同环境下的脚力控制的比较实验,并对存在干扰情况下的脚力控制以及脚力控制对于躯体高度和系统能耗的影响等一系列实验进行了分析,以论证前述的理论和仿真结果。

关键词： 双臂空间机器人   闭链   动力学耦合   协调规划   柔顺控制  

摘要： 随着空间探索的不断深入，空间机器人系统在航天器设备的在轨装配、维修以及维护等方面扮演着越来越重要的角色。与单臂相比，双臂空间机器人具有更高的灵活性、可靠性及容错性，将成为未来在轨服务的主力。然而，在动力学建模、路径规划以及控制等方面，双臂空间机器人更加复杂，特别是形成闭链的情况。本文针对空间目标在轨捕获及操作任务，开展了双臂空间机器人动力学、双臂协调轨迹规划及柔顺控制等的研究。 双臂同时抓持并操作目标时将形成闭链系统，动力学特性极其复杂。为对轨迹规划、控制及仿真提供依据，建立了双臂空间机器人闭链动力学模型，并提出了基于限制型约束的数值求解方法。通过牛顿欧拉法建立了开链双臂动力学方程，应用切断铰约束建立运动学约束方程，合并后组建闭链动力学方程，该方法适用于双臂协调操作的动力学建模。所建立的模型作为后续开展动力学特性分析、轨迹规划与控制等研究的基础。 由于机械臂与基座之间存在动力学耦合，机械臂的运动会产生对基座的扰动使其姿态及质心位置发生变化，该变化又进一步改变了机械臂末端的位姿。这一特性的存在影响了空间机械臂执行在轨任务的效率。将机械臂与基座之间的动力学耦合分解为质心及姿态两部分，提出了位置级与速度级相结合的耦合特性分析方法。基座质心的线速度满足线动量守恒这一完整约束，通过建立基座质心虚拟机械臂的位置级运动学方程，反映了质心位置与各关节的关系；而基座角速度与关节角速度满足的角动量守恒方程为非完整约束，因此，采用速度级运动学描述基座姿态与机械臂关节角的关系。论文还定义了用于描述耦合程度的耦合因子，并绘制了基座姿态耦合图。混合的动力学耦合建模与分析方法解决了传统方法中奇异构型繁多，计算效率不高的问题。 目标捕获与操作是实现在轨服务的关键，利用双臂执行此任务可增加任务的有效性和可靠性。提出了目标捕获前及捕获后的双臂协调轨迹规划算法。捕获前，双臂根据手眼视觉提供的目标测量数据，实时规划机械臂关节角的运动，直到双臂同时抓住目标；当捕获后，需要将目标停靠到适合于维修的位置，此过程主要通过闭链运动学方程的求解实现双臂的协调。典型操作过程的仿真结果验证了方法的有效性。 双臂共同操作负载形成闭链系统后，除了需要解决位置约束的问题外，还需要考虑内力的分配问题。基于双臂协调轨迹规划的结果，提出了双臂协调的力柔顺控制方法，使得机械臂操作目标的过程中，不但使其按给定位置运动，整个闭链系统的内力也得到了合理分配，保证了任务的安全可靠。通过典型任务的仿真，验证了控制方法的有效性。

关键词： 空间机器人   末端操作工具   位姿容差   柔顺控制   螺钉拆卸  

摘要： 在人类探索太空的半个多世纪时间里，大量功能各异的航天器被送往太空。随着空间技术的进步，目前航天领域的重大挑战已经不仅仅是如何发送复杂庞大的航天器系统，更多的是如何保证航天器能够更加长久、稳定地在空间轨道上运行，因此在轨维护技术应运而生。相比宇航员舱外维护操作的高危险性和高成本，机器人在轨维护技术以其成本低、危险小以及可持续工作等优点赢得了各国的青睐，而研制可以对航天器各零部件进行维护操作的末端操作工具也成为了其中的关键技术之一。通过分析研究国内外同类项目的需求和研究成果，本文研制了一种针对合作以及典型非合作目标零件的多功能操作工具。 首先，本文提出了能够扩展运动且连接不同工具接头的多功能操作工具的总体设计方案，分外接工具接头模块、轴向随动模块、转动离合模块和电器控制模块四部分讨论了功能需求和机构实现，并通过有限元强度分析保证了其设计可靠性。考虑到工具温升控制和运动可靠性等问题，利用遗传算法对制动器电磁线圈进行了优化，并针对其电磁吸合力问题进行了有限元电磁仿真。 其次，针对五种工具接头中的螺钉拆卸工具接头进行了研究分析。鉴于该工具接头对螺钉的位置补偿及尺寸适应性功能，提出了以十字滑块和校正片弹簧为核心零件的整体设计方案；并分别对十字滑块的效率与运动特性、校正片弹簧的参数优选与动态响应性能、夹紧爪的受力及捕获检测等进行了研究与设计，得到动态响应迅速、运行平稳的螺钉拆卸工具接头。 然后，为研究多功能工具与工具接头之间标准接口的容差性能，本文通过将对接曲面在对接接口坐标系间进行映射变换，分析得出对接所需的力学摩擦条件和几何条件，得到了理论接口容差范围。利用ADAMS软件以及六自由度（6-DOF）机械臂实验平台开展了仿真分析及实验研究，从两方面验证了接口容差性理论及预测容差范围的正确性。 最后，本文提出了标准接口对接所需要的柔顺控制策略，分别在整体任务规划层面和具体柔顺策略实施层面进行了讨论。在具体的阻抗控制策略层面，先从理论上对各个目标阻抗参数的柔顺特性及选取进行了研究和预测，接着通过ADAMS和Simulink的联合仿真平台对理论进行了验证，证明了参数选取及预测特性的正确性。

关键词： 灵巧臂   柔顺控制   阻抗控制   双模糊阻抗控制   ANFIS阻抗控制  

摘要： 随着机器人技术的不断发展，曾经的示教型机器人逐步发展到现在具有感知和独立判断能力的智能机器人。智能机器人的研究开创了机器人研究历程中的另一个里程碑。虽说现在在智能机器人的研究中取得了很多成果，攻克了很多重要的技术难关，但还有很多亟待解决的技术难题。其中一个亟需解决的矛盾就是机器人在工作时与特殊环境有力接触时需要给予一定的柔性，然而机器人在位置伺服控制时是需要满足一定的刚度以及其机械机构本身就存在一定的刚度。为了解决这个问题，很多人希望机器人可以像人一样在接触环境时对环境具有一定的顺从能力，也叫做柔顺性(Compliance)，像这种具有柔顺性的控制被称为柔顺控制(Compliance Control)。在柔顺控制的研究中，很多学者提出了多种方法，其中应用的比较多的有阻抗控制Impedance Control和混合力/位控制Hybrid Force/PositionControl。 本文以6自由度的机器人灵巧臂为例，围绕其阻抗控制问题开展了系统研究。首先，对阻抗控制的基本原理以及国内外的研究现状进行了综述；其次，建立了灵巧臂的数学模型，主要对其运动学和动力学模型进行了建立与分析；在经典模糊控制原理的基础上设计了基于模糊PD控制的模糊阻抗控制，形成了双模糊控制结构，通过仿真分析验证了其有效性及优越性；最后，研究了自适应神经模糊控制算法(ANFIS)，并利用ANFIS工具箱针对阻抗控制器的模糊规则进行了优化设计。大量的仿真结果表明，本文提出的双模糊控制结构在灵巧臂自由空间与约束空间中的力与位置的控制问题上可以获得更好的控制效果。

关键词： 助老助残   模块化   机械臂   运动学   柔顺控制  

摘要： 全球老龄化问题日益严重，残疾人数量也不断增加，越来越多的老年人和残疾人不仅给个人和家庭造成了巨大的负担，还对国家的医疗和社会保障体系带来了空前的压力。另一方面，随着科技的进步，机器人技术也得到了极大的发展，机器人的用途逐渐从工业向家庭生活和服务业领域渗透，结构也从一个用户，一次重新设计向标准化和模块化方向发展。结合国家863计划机器人模块化单元技术重点项目课题，研制了一种面向助老助残的模块化机械臂系统，安装在智能轮椅上辅助老年人或残疾人完成取物、开/关门等任务。 首先，研制出一种模块化机械臂。采用模块化结构设计了旋转关节模块，主要由驱动和传动、反馈控制和走线等模块组成，具有标准的机械、电气接口，其内部电机、编码器和制动器采用轴线平行的布置方式，结构紧凑、质量轻、输出力矩大；设计了连杆模块，配合关节模块，可以根据需求组装成不同自由度、不同构型的机械臂。 然后，对机械臂的模块化运动学进行分析。通过建立各类模块统一的数学表达式，获得不同构型机械臂的运动学模型，采用构形平面匹配的方法，通过姿态及位置匹配，将机械臂空间构形转换为平面几何关系，完成逆运动学求解；设计了运动学仿真平台，针对模块组成的6自由度构型机械臂，通过D-H法运动学求解及仿真来验证模块化运动学算法的正确性；推导机械臂雅可比矩阵，并分析其工作空间，为机械臂控制奠定基础。 其次，建立模块化机械臂控制系统。基于工业以太网和CAN总线建立开放式分布控制系统，主要由上位机、主控计算机、控制器、驱动器等组成；基于VC++6.0和Open Inventor开发人机交互平台，实现人与机械臂的操作命令交互以及虚拟环境模拟，通过轨迹规划和运动学解算实现机械臂运动控制，制定通讯协议，实现各个控制层之间的通讯；各部分采用模块化设计结构，独立运行，能够适应各种模块组成的不同构型机械臂控制。 最后，进行机械臂控制策略研究和样机实验。采用速度内环和位置外环双闭环实现机械臂轨迹控制，速度环采用PI控制，位置环采用PD控制，直线和曲线轨迹跟踪实验满足控制要求；针对拉抽屉过程设计阻抗控制器，实现基于位置的力控制，通过仿真分析阻抗控制参数，拉抽屉实验验证所提柔顺控制方法的有效性；利用激光跟踪仪对机械臂运动学参数进行标定和补偿，并对机械臂定位精度进行测试，测试结果满足设计指标要求；设计机械臂为人倒水并协助人喝水实验，验证机械臂作业能力。