关键词： 自主研磨机器人   自由曲面   柔顺控制  

摘要： 为实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标,研制一种自主研磨作业机器人,给出机器人结构与工作原理及曲面模型重构、控制系统的设计方法和实例.通过对5-TTRRT机器人研磨加工实验对相关的结论加以验证,得出研磨工具头的姿态参数,验证了机器人的有效性和可行性,为自主研磨作业机器人的设计提供了一种方案.

关键词： 轴孔装配   力信息   解耦   直接调整法   模糊控制  

摘要： 机器人进行轴孔装配时,末端初始位姿常存在偏差,如何利用力传感器获取的力信息调整末端位姿非常重要。对轴孔装配的模型进行了分析,建立了装配接触点坐标系,并推导了接触点坐标系到力传感器坐标系的变换,解耦了由力传感器获得的力矩数据。基于解耦的力信息,本文提出了直接调整法调整末端位姿,该方法简单,不需复杂计算,但调整步长单一。针对直接调整法的不足,文中将模糊控制应用于输入输出关系,使调整步长多样化。实验证明了模糊控制的有效性。

关键词： 并联机构   过驱动   运动学   动力学   阻抗控制  

摘要： 并联机构相比于串联机构具有定位精度高、刚度大、承载能力强、结构紧凑、误差小的优点,弥补了串联机构在工业应用中的不足。但是,并联机构的闭环结构也会带来工作空间减小、标定困难、奇异形位的问题。为此,在并联机构中引入过驱动,过驱动可以优化输入力,减小机构关节间隙,消除机构奇异点、提高机构的容错性能。过驱动并联机构在工业领域中应用广泛,例如并联机床中、仿生机械和高性能战机等。 本文以平面2DOF四分支过驱动并联机构为研究对象,首先对其进行了运动学反解、正解、速度雅可比矩阵以及力矩传递性能和工作空间方面的分析和研究。建立了过驱动并联机构的运动学模型,并进行了迹仿真实验。 然后,建立了平面2DOF过驱动并联机构的动力学模型,并对动力学模型进行了分析,获得了驱动空间的速度和力矩限制到末端执行器空间的速度和加速度限制间的变换关系。 接着,针对过驱动并联机构进行了控制策略研究,分别给出了几种控制策略应用于过驱动并联机构的控制,利用SimMechanics建立了四分支过驱动的并联机构模型,设计了PD控制器和位置型阻抗控制器。通过平面2DOF并联机构的轨迹数值仿真,得到了上述两种控制器下末端执行器跟踪误差曲线,经比较得出,位置型阻抗控制器具有较好的控制效果,该控制器为建立了并联机构运动控制系统提供了算法支持。 最后,建立了并联机构运动控制系统,由Visual C++6.0开发运动控制程序,通过PCI总线驱动运动控制卡(GT-400-SV-PCI)完成伺服电机控制。软件在PC机上运行,完成了位置型阻抗控制器的圆轨迹跟踪控制实验。

关键词： 空间机械臂   阻抗控制   自适应控制   参数优化   Matlab/Simulink  

摘要： 七自由度空间机械臂原理样机采用末端效应器与地面适配器对接，在对接过程中需要在地面适配器的钢丝绳牵引下做随动运动。由于在对接过程中不可避免地会存在有一定的位姿偏差，导致与钢丝绳之间的接触力有可能会变得很大，这就要求我们通过安装在末端效应器上的六维力传感器反馈来实现对接过程中接触力的主动柔顺控制。本文采用基于位置内环的自适应阻抗控制方法对空间机械臂在对接过程中的力随动控制做了详细的分析和研究。 首先，分析了空间机械臂的七自由度对称结构，并且用D-H法建立其关节坐标并得出机械臂的运动学正解，运用固定关节角法固定第二关节并对其余六个自由度计算运动学逆解，使用SimMechanics建立了机械臂的动力学模型，为之后的力随动控制算法的仿真研究做好了准备。 然后，基于空间机械臂末端六维力传感器数据反馈提出了笛卡尔空间内的阻抗控制方法，针对对接过程中的拉紧过程做了详细的力位随动仿真分析。主要分析了阻抗控制器各个控制参数对对接过程中力位随动造成的影响，并利用遗传算法优化选取了一组优化参数。 其次，在传统的阻抗控制器上加入可变参数的PID前馈，根据接触力误差的暂态方程，利用李雅普诺夫稳定定理得到了PID参数的自适应调整方法，使得接触力误差在拉紧过程中不断减小，通过仿真对比证明了自适应阻抗控制方法比传统阻抗控制有更好的控制效果。 最后，通过在空间机械臂地面试验平台上针对对接过程的力随动控制试验，采用基于位置的阻抗控制方法在对接过程中进行了接触力控制和位置控制，分析对接过程的每个步骤中接触力和位置控制的实验结果验证了力随动控制方法的有效性。

关键词： 模具抛光   混联机器人   电动双滑台机构   力位混合控制   自适应模糊PID控制  

摘要： 随着科学技术的进步和制造业的发展，模具的应用越来越广泛，尤其是在航空航天、汽车制造等高新技术领域。自我国进加入世界经贸组织以来，市场竞争日趋激烈，我国各产业部门越来越重视模具的制造水平，模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因此发展高精度、高技术产品的的模具是我们未来发展的目标和方向。 抛光是模具加工制造工序中的最后一步，因此抛光直接决定模具的加工精度、外观及使用寿命。模具型腔表面结构复杂，常为自由曲面，若采用普通的刚性工具如砂轮等进行抛光，不仅难以适应自由曲面的变化，而且表面粗糙度难以控制。若抛光力过大，将会产生表面过抛；抛光力太小，不仅难以达到期望精度而且效率低下。为了解决上述技术难题，拟设计电动双滑台机构安装在柔顺执行机构末端与机器人一起来完成模具复杂型面的抛光，并对其进行运动控制。柔顺机构的运动控制与模具型面的抛光质量密切相关，故对模具抛光柔顺执行机构进行运动控制研究具有非常重要的理论意义和实用价值。 本文在模具抛光混联机器人的柔顺执行机构上设计了电动双滑台机构，结合直角坐标机器人对抛光刀具进行力位混合控制，使抛光工具和模具型面间的接触力为恒法向压力，从而改善抛光质量。首先介绍了基于直角坐标机器人的抛光平台的构成；接着推导出了包括伺服电机、传感器以及传动装置的传递函数，最后采用PID控制、模糊控制和自适应模糊PID控制三种控制方法，基于Matlab/Simulink给出了三种控制方法的仿真图，通过对比分析得出自适应模糊PID控制相对于其他两种方法具有超调量小、稳定时间短等优越性，为实验提供了理论基础。

关键词： 动力学参数辨识   角动量守恒   逆动力学   运动控制   柔顺控制  

摘要： 伴随我国在太空探索活动不断增多，空间机器人将扮演非常重要的角色，例如完成建立和维修空间站，以及抓捕、释放、监测、回收卫星等高度复杂任务。而空间机器人在其制造时，不可避免的存在加工、组合装配误差，此外执行任务时燃料的消耗和未知目标的捕获等，这些都会引起其动力学参数变化。但其动力学控制、路径规划和姿态控制等都依赖准确的动力学参数，因此参数辨识是一项关键技术。 相比地面机器人，空间机器人所处空间环境复杂特殊。，本文利用空间机器人系统角动量守恒原理建立辨识模型，分别采用最小二乘法和约束遗传算法完成动力学参数辨识。由于辨识离线进行的，辨识中不需要复杂的运算，只需要借助反作用飞轮测量角动量变化值和关节信息。为验证辨识辨识方法准确性，本文选取平面两杆系统为例，对比两种辨识算法，结果基本满足实际需要，而遗传算法很明显优于最小二乘法。另外，本文又结合Newton-Eulerr递推动力学，建立基于关节力矩的参数辨识数学模型，然后对比最小二乘法和高斯-牛顿迭代辨识方法，建立Simulink辨识系统，仿真验证（包含规划、控制、辨识算法和三维模型），辨识的结果表明后者比较理想。 在执行复杂和精度高的任务时，空间机器人运动控制、动力学和力控制也至关重要。本文采用机械臂PD、计算力矩和自适应模糊PID控制，并且利用Simulink设计仿真系统，对比三者运动响应和轨迹跟踪，结果表明模糊控制效果优于前两者控制方法。空间机器人在空间执行任务时不可避免的接触外界环境，接触力和力矩是不可忽视的重要的部分，而力控制必不可少。本文研究空间机器人共享柔顺控制，探索力和位置混合控制方式，结合地面试验系统，开展机器人柔顺控制的直线和曲线运动试验，试验顺利完成。

关键词： 机器人   柔顺性控制   阻抗控制   自适应控制   RBF神经网络  

摘要： 机器人学科是一门迅速发展的前沿性学科,其核心是控制系统。近几十年来,对机器人控制问题进行了大量的研究,特别是柔顺性控制问题。许多学者应用新的方法和理论,对柔顺性控制从理论和实际应用中都做了各种尝试。然而,机器人是一种非线性、强耦合的系统,有很多不确定性的因素。机器人与环境接触时,环境的不确定性也对控制性能产生了较大的影响。因此,极大地制约了机器人的应用范围。基于上述问题,本文在机器人柔顺性控制的基础上,主要针对机器人模型不确定性及环境不确定性进行研究。本文首先介绍了目前柔顺性控制的基本策略及特点,通过分析选择采用阻抗控制策略。其次介绍了机器人运动学和动力学模型并建立了机器人与环境接触的仿真模型。再次,在阻抗控制思想下推导了一种基于力矩的阻抗算法并通过仿真分析得出了阻抗参数选取的基本原则。然后,针对环境位置不确定性,采用了轨迹修正模块,它根据力误差修正参考位置,不需要知道环境位置和刚度的先验知识;针对模型不确定性,采用了惯性矩阵估计和延迟模块,大大减小了跟踪误差,但该算法要求采样时间足够小。最后,在此基础上,针对机器人动力学模型所存在的建模不确定性,设计RBF神经网络补偿不确定项,在采样时间较大的情况下,跟踪速度快,误差小,能够达到较好的控制效果。

关键词： 细胞注射   阻抗控制   自适应   柔顺控制  

摘要： 细胞注射技术已被广泛应用在基因注射、体外受精、卵胞浆内单精子显微注射和药物开发。但是,目前没有可实现悬浮细胞注射任务自动化的商用设备,现有的悬浮细胞注射平台存在控制精度低、重复性差等不足。 在细胞注射过程中,注射针有两个运动空间。在自由空间,注射针没有与细胞发生接触,此时,只需对注射针进行位置控制；在约束空间,注射针与细胞产生了相互作用,此时,除了对注射针进行位置控制以外,还需对注射针与细胞的相互作用力进行控制。本文主要对细胞注射过程中注射针的轨迹跟踪控制与力跟踪控制进行了研究。首先,针对细胞注射系统的建模误差,为了提高注射针的轨迹跟踪控制能力,设计了鲁棒控制器。由于细胞注射力为时变力,特别是当细胞注射系统模型和待注射细胞膜刚度存在不确定性时,传统阻抗控制策略无法满足对时变注射力的精确跟踪控制。因此,在传统阻抗控制方法的基础上,本文提出了基于自适应阻抗控制的力跟踪控制策略,设计了自适应阻抗力控制器。该控制器不需要精确的环境知识,对时变力有一定的自适应性。 最后,本文对传统阻抗控制方法做了进一步的研究,分析其时变力跟踪性能差的根本原因,并在此基础上提出改进方案。同时,完成环境刚度与实时注射力两个参数的在线辨识,使系统对于细胞膜刚度和扰动特性的变化具有较强的适应性。经仿真实验研究分析,该改进型阻抗控制器能够对任意的时变连续力参考信号实现柔顺控制。

关键词： 球型手腕   三自由度   摩擦力补偿   柔顺控制  

摘要： 军事、航天、核工业等领域已成为发达国家竞相发展的战略目标,其外部作业环境具有危险性大、复杂多变、非结构化、作业空间狭小等特征,迫切需要研发高性能机器人替代人类作业。腕部是机器人的关键部件,其性能直接影响机器人末端执行器的定位精度、灵活性等作业性能。为提高空间机器人作业能力,突破腕部模块的瓶颈问题,研制对外部环境具有柔顺作业能力的高性能腕部已成当务之急。 本文提出一种由相对独立运动链组成的解耦型三自由度高集成球型手腕机构。简述了手腕结构特点,采用双万向节和双半球结构来保证腕部关节的紧凑性与灵活性,分析了腕部关节的工作空间并运用传递矩阵及几何分析方法建立了腕部运动学模型,推导得到腕部雅克比矩阵,利用雅克比矩阵分析工作空间内的奇异位置。依据上述理论,设计并研制了高集成三自由度解耦球型腕部机构,通过Solidworks运动仿真模块仿真验证建模准确性及定位有效性,搭建实验平台实验验证了该腕部机构能平稳、灵活的实现俯仰、侧摆及滚转三自由度运动。 本文以高集成解耦三自由度球型手腕为被控研究对象,研究基于摩擦力补偿的解耦球型腕柔顺模式控制原理,探索基于系统摩擦力矩补偿柔顺控制的可行性。 提出实现摩擦力补偿解耦球型腕柔顺模式的一系列工作思路。对腕部模块建立合适的摩擦模型并对模型进行处理以符合应用要求,通过制定合适的实验及仿真方案,基于遗传算法参数辨识方法辨识系统摩擦参数,腕部末端安装力传感器,建立腕部模块柔顺控制模式下考虑末端接触力及阻力影响的电机力矩模型,编写遗传算法辨识程序,建立Matlab及Simulink环境下的腕部系统柔顺控制仿真模型,仿真结果验证了基于摩擦力补偿解耦球型腕柔顺控制模式的可行性及有效性。 本文形成新型空间机器人手腕机械结构、系统摩擦力建模与参数辨识补偿为一体的摩擦力补偿的柔顺球型腕设计方法与控制理论。基于摩擦力补偿的柔顺球型腕具有极大的应用价值,同时基于摩擦力补偿的柔顺工作原理也具有普遍的应用意义。

关键词： 脊柱机器人   主被动控制   阻抗控制   手术路径规划   G代码解释  

摘要： 随着机器人技术的发展和进步，机器人的控制越来越精确，实现的功能也越来越多。机器人不再只是用在工业领域，越来越多的机器人用于外科手术。本文以6自由度的脊柱手术机器人作为研究对象，对脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划进行了研究。本文主要研究内容有： (1)对脊柱手术机器人的运动学及控制方案进行了分析研究。根据机器人的结构特点，采用D-H法分析了机器人的正逆运动学问题；通过矢量微分法计算出机器人的雅可比矩阵，将其用于机器人的奇异位形分析以及柔顺控制算法计算；针对脊柱手术的定位难、风险大等特点，给出了机器人的主被动控制方案，并制定了主被动的控制流程。 (2)研究了脊柱手术机器人的柔顺控制算法。在对阻抗控制算法进行研究的基础上，将基于力的阻抗控制引入机器人被动控制模式中，通过控制机器人的关节驱动力来实现机器人的柔顺控制；通过对机器人的被动拖拽实验，验证了基于力的阻抗控制算法能有效实现对机器人的柔顺控制。 (3)研究了脊柱手术机器人的骨削手术路径规划方法。针对脊柱骨结构复杂难以规划手术路径的特点，使用Unigraphics(简称UG)的CAD/CAM功能生成脊柱骨磨削的G代码，通过对G代码的解释可以提取出安全的手术路径。 (4)设计了脊柱手术机器人的可视化仿真及控制软件。设计了机器人可视化仿真软件，该软件能可视化跟踪机器人的运动，利用该软件可验证机器人运动学正逆解的正确性，以及骨削手术路径的可行性。设计了脊柱手术机器人的控制软件，实现对机器人运动的控制，软件设计采用模块化结构，可以对数据集中处理，提高控制系统的实时性，方便人机交互。