关键词： 在轨服务   双机械臂   柔顺控制   协调控制   机动目标  

摘要： 针对被操作目标运动状态变化导致双臂与目标间内力发生突变的问题,提出了一种空间机动目标双臂协调柔顺操作控制方法。首先,针对空间双臂协调柔顺操作任务,分别建立双臂空间机器人开链动力学模型和闭链动力学模型;其次,考虑目标机动产生的扰动,设计阻抗参数自主调整策略,在双臂末端与目标间作用力发生较大变化时,可以保证双臂协调操作任务的平稳性和安全性;最后,搭建双臂协调柔顺操作地面物理试验系统,并开展物理仿真试验验证,试验结果表明了本文所提方法的有效性。

关键词： 机械电子工程   液压关节   模糊PID控制   自适应阻抗控制   主被动联合柔顺控制  

摘要： 双叶片液压被动柔顺回转关节在受到外界环境的碰撞时,关节的被动柔顺性会使关节阀体输出转角产生回调,碰撞结束后,输出转角又会迅速恢复。为了有效吸收剩余的冲击能量,本文将自适应阻抗控制作为回转关节的主动柔顺控制,与关节的被动柔顺控制相结合,实现对关节的主被动联合柔顺控制,增大了回转关节在受到碰撞时的回调角度,能够更好地化解环境碰撞力。同时在关节的控制系统中设计并添加了一个模糊自适应PID(比例-积分-微分)控制器,作为自适应阻抗控制中的位置控制器,能够减小回转关节输出转角恢复后的稳态误差,提高了关节与外界接触时的安全性。

关键词： 多臂空间机器人   稳定抓取   力分配   柔顺控制   振动抑制   动能消耗  

摘要： 针对影响多臂抓取稳定性的接触力不平衡和接触振动问题,提出多臂空间机器人力分配和柔顺控制策略.首先,分析满足多臂稳定抓取的力学条件,基于摩擦锥约束设计抓取力安全系数,并将其引入力优化模型进行抓取力分配,实现目标物体稳定抓取条件下受力最小;然后,分析抓取过渡过程的振动成因,设计基于动能消耗的末端输出力控制策略实现快速振动抑制和柔顺抓取;最后,设计机械臂末端控制律切换策略,一旦在抓取过渡过程中发生接触脱离可引导其快速返回物体表面.仿真结果表明,所提出方法提升了稳定抓取安全裕度,显著降低了机械臂末端的振动幅值、持续时间和接触力,提升了空间机器人多臂抓取目标操作的稳定性和柔顺性.

关键词： 四足机器人   运动能效   多刚体模型算法   柔顺控制   模型预测控制  

摘要： 四足类动物作为地球上最为广泛分布的动物群体之一,展现了卓越的运动能力和复杂环境的适应能力,例如猎豹可以以每小时110-120公里的速度奔跑,蓝绵羊可以在几乎垂直的悬崖峭壁上行走,这为研究人员设计四足仿生机器人提供了重要的参考和启发。自上世纪中叶,国内外已研发出多款四足机器人,尤其是苏黎世的ANYmal、波士顿的大狗和Spot Mini四足机器人,均表现出优秀的动态性能和强鲁棒性,引领着仿生腿足式机器人行业的发展。 与传统的轮式和履带式机器人相比,液压四足机器人在不规则地形下表现出更好的环境适应能力,但在能效和环境适应上仍存在不足。针对上述问题,本文以SCalf-Ⅱ液压四足机器人为研究对象,以模型预测控制、关节复合柔顺控制为控制框架,开展了有关四足机器人运动能耗优化和运动控制的相关研究。主要内容如下: 1)针对恒压单泵源机载液压伺服驱动系统能耗高、系统冲击大等问题,基于四足机器人节律性运动特点及肢体关节力学特性分析,提出了融合分相与多模式供油的高/低压双泵源机载液压伺服驱动系统,建立了重要子系统的压力与流量动态模型,并通过仿真与实验手段对新系统的驱动与响应特性进行了对比分析。 2)搭建了四足机器人多刚体系统运动学和动力学模型。区别于传统的拉格朗日动力学建模,本文灵活运用了组合刚体法和牛顿欧拉法,并采用迭代运算求解了四足机器人多刚体动力学模型中的关键参数,为后续控制系统的搭建提供了基础。 3)为获取机器人本体运动状态,设计了状态估计器,包括卡尔曼躯干位姿估计、卡尔曼躯干速度估计和局部地形估计。以虚拟支撑面作为躯干期望横滚角、俯仰角的修正计算途径,提高了机器人的地形适应能力,并通过上下斜坡行走和斜坡上的自转运动试验验证了该算法的有效性。与此同时,结合关节柔顺控制,进一步得到关节反馈扭矩以实现位姿误差补偿。 4)基于模型预测控制算法,设计了具有斜坡自适应能力的四足机器人运动控制器,实现了四足机器人对不同斜坡地形的适应能力。基于四足机器人简化单刚体模型,分析了其运动学和动力学特性,建立了离散状态空间模型,并将四足机器人的控制问题转化成QP优化问题,进而得到了最优关节控制前馈扭矩。 图60表5参111

关键词： 并联机构   运动冗余   刚度分析   阻抗控制   模糊自适应  

摘要： 并联机构因其刚度大、承载力强、精度高等特点，常用于如舱段、火箭及轴孔等对接任务中。管道对接作为工程作业中的重要一环，其工作外界环境往往未知或频繁变化，传统对接方式已不适应当前的工程条件，但目前仍无良好的自动化实现方式。本文针对这一问题，应用并联机构对管道对接任务进行了工程化方案探索，深入研究了基于接触力信息的主动柔顺控制方法，并取得了一定成果。　　首先是对机构进行构型设计，在传统的Stewart并联机构中加入三条运动冗余分支。然后进行运动学动力学分析，在建立的坐标系中完成了对并联机构运动学正、反解以及动力学反解。对于正解问题采用数值迭代方法进行求解，并结合神经网络法进行求解验证;对于运动学、动力学反解问题则通过MATLAB编程求解，再通过Adams软件进行反解模型验证。并以建立的运动学模型为基础，进行了并联机构的工作空间求解。　　其次，基于运动冗余并联机构的静力学进行了分析，并基于螺旋理论求解机构的雅可比矩阵，最后建立了运动冗余并联机构的刚度矩阵，研究了冗余运动分支对于末端刚度矩阵的映射关系，然后结合并联机构刚度性能分析的一系列指标，分析了运动冗余机构对传统并联机构刚度性能的提升。并基于现实对接任务中对不同位置、姿态的刚度要求的考量，结合可变上下铰点的运动冗余分支，研究了一种基于目标函数的方向刚度增强方法。　　然后，对机构的控制策略选择阻抗控制方法，并通过对主动柔顺控制的研究，建立了基于位置内环的阻抗控制方法。在控制系统仿真方面，首先通过控制变量法研究了各个目标参数变化对于控制系统的影响，然后采用了基于遗传算法的参数寻优方法，以解决人工调参存在的不确定性和不完整性等问题。此外，为增强控制系统的稳定性，设计了模糊自适应阻抗控制器，并进行了仿真验证，对比了不同控制器的系统跟踪响应。　　最后，进行了管道对接的实验研究。对试验样机的机械结构和控制系统进行了介绍。并在运动学动力学与控制系统的研究基础上，首先验证了样机驱动分支对预设轨迹的跟踪情况，然后设计了管道对接试验方案，并按照试验方案进行了试验，验证了试验方案的可行性以及设计的控制系统的正确性。

关键词： 水下机械手   阻抗控制   主从控制   自适应控制   力反馈  

摘要： 水下机械手在水下技术领域探索中起着重要作用,本文以核电站反应堆和乏燃料池为背景,对核电站水下作业机械手展开研究。随着核能在全球范围内作为清洁、可靠能源的应用越来越广泛,核电站作为核能的主要应用场景之一,承受着重要的能源供应任务。核电站的运行维护对于确保能源供应的稳定性和可靠性至关重要,其中核能安全问题备受关注,尤其是核泄漏问题最令人担忧。然而,由于核电站的特殊工作环境,例如反应堆核心、乏燃料水池等部分,通常位于水下或高辐射环境中,对于核电站的运行维护提出了极高的技术要求和挑战。因此,针对核电站水下环境的机械手柔顺控制方法和主从控制方法研究十分必要,对于提高水下机械手的运动控制精度和稳定性具有重要意义。 针对核电站反应堆和乏燃料池这一特殊环境,对水下机械手的机械结构进行分析,设计了一款绳驱动型水下机械手,利用经典Denavit-Hartenberg方法(D-H法)建立了水下机械手的连杆坐标系,推导了正逆运动学公式;通过对机械手的工作空间进行分析,确定了主从映射方式以及映射系数的选取,分析了主从映射关系;采用拉格朗日法建立了水下机械手的动力学模型,分析了机械手在水环境中受到的作用力,计算了基于莫里森公式的水动力,为接下来柔顺控制及主从控制的研究做好了铺垫。 针对水池焊接过程中复杂的工作环境和高精度焊接要求,本文采用了梯度下降法逐步更新参数估计器的参数,实现了对参数的自适应调整,在此基础上,提出了一种基于梯度下降法的模型参考自适应变刚度阻抗控制方法,实现了自适应柔顺控制器中的刚度参数调整。采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论对所提出的基于梯度下降法的模型参考自适应变刚度阻抗控制方法进行闭环稳定性分析,证明了其闭环系统的稳定性。通过Simulink软件仿真平台进行仿真验证,结果表明,该控制方法提高了机械手的动态响应能力和控制系统的鲁棒性,减少了稳态力误差的产生,改善了焊接过程中的控制精度和稳定性。 针对水下各种复杂工况易出现非线性、时变性等因素,本文提出了一种基于力反馈和模糊PID的主从控制方法。采用了基于阻抗控制的力反馈方法,将误差信息以力反馈的形式传递给主端控制器,减小运动误差,增强主从控制的协调性,同时引入模糊PID控制器,实时在线调节参数。通过半物理仿真平台搭建主从跟随实验,验证了机械手主从端跟随的一致性。 针对核电站水下工作环境,设计了水下机械手控制系统。对水下机械手进行了性能测试与基本功能测试,并将本文所设计的控制方法应用到水下机械手进行水下测试。结果表明,本文所设计的控制方法能够有效地提高水下机械手与环境的交互性和主动柔顺能力。

关键词： 下肢康复机器人   动力学模型   柔顺控制   人机交互力   主动控制  

摘要： 近年来,我国人口老龄化程度不断加深,脑卒中患者数量逐年攀升。脑卒中疾病具有致残率与死亡率高的特点,对患者身心造成重大伤害,高效的康复训练已成为全社会脑卒中患者的必要需求。传统脑卒中康复治疗模式为康复治疗师对患者进行一对一的康复治疗,人员消耗大,效率比较低,通过下肢康复机器人对脑卒中患者进行康复治疗能够减轻康复治疗师的压力,提高康复训练效率。因此,国内对下肢康复机器人的需求快速增长。 针对脑卒中患者下肢运动功能恢复问题,以康复治疗前期和中期的下肢运动功能障碍患者为面向对象,以实现安全舒适的康复训练为主要目标,搭建下肢康复机器人平台,建立下肢康复机器人动力学模型,设计下肢康复机器人柔顺控制方法与主动控制方法,实现柔顺的人机交互。本文的主要研究内容如下: (1)搭建下肢康复机器人平台。以人体解剖学为基础,分析人体下肢生理结构与运动特征,以实现系统性、多维度的康复训练运动为设计目标,搭建能够实现空间内多自由度康复训练的下肢康复机器人球形髋关节机构、能够自适应人体膝关节多中心运动的下肢康复机器人自适应膝关节机构和能够测量人机交互力的力传感器机构。其中,自适应膝关节机构采用绳驱动方式,能够有效提高康复训练柔顺性。 (2)建立下肢康复机器人动力学模型。基于搭建的下肢康复机器人平台,明确下肢康复机器人的控制目标,对下肢康复机器人结构进行合理简化,建立简化后的下肢康复机器人整体动力学模型、球形髋关节动力学模型与自适应膝关节动力学模型,为设计下肢康复机器人柔顺控制方法提供理论依据。 (3)设计下肢康复机器人柔顺控制方法。在康复训练过程中不精确的轨迹跟踪与力矩输入会导致康复训练柔顺性不足,为提高康复训练柔顺性,基于比例微分(proportional-derivative,PD)控制理论、归零神经网络(zeroing neural network,ZNN)控制理论与阻抗控制理论,设计PD阻抗控制器与ZNN阻抗控制器,利用李雅普诺夫稳定性分析方法证明控制器稳定性,开展平台实验验证控制器有效性。 (4)提出能够识别人体下肢运动趋势、精确跟踪人体下肢运动并按需输入驱动力矩的主动控制方法。为提高患者在康复训练过程中的主动性与参与度,基于力传感器机构测量人机交互力,结合ZNN阻抗控制器,设计基于人机交互力识别人体下肢运动趋势,康复机器人根据运动趋势跟随下肢运动并按需输入驱动力矩的主动控制方法。基于实验平台,开展平台实验验证主动控制方法与主被动控制方法有效性。

关键词： 打磨机器人   阻抗控制   滑模控制   轨迹跟踪   恒力跟踪  

摘要： 随着社会和科技的不断发展,机器人在工业生产和生活服务等领域应用愈发广泛。2023年,由国家工信部和其他十六个部门共同推出了《“机器人+”应用行动实施方案》,该方案旨在到2025年实现机器人普及率的成倍提升,促进制造业向高度自动化和智能化转型。特别是在磨抛加工领域,机器人智能化能够提高加工精度和效率,保证打磨作业的一致性和重复性,降低生产成本,但在某些复杂环境的任务需求对机器人柔顺控制提出了较高要求。本文以六自由度打磨机器人为研究对象,主要对打磨过程中轨迹跟踪和恒力控制问题展开研究,具体内容包括以下几个方面: (1)获取机器人运动学、动力学模型以及对六维力/力矩传感器进行信号处理。通过MDH方法分析机器人各连杆间相对位置关系,建立运动学模型。通过牛顿-欧拉方程建立机器人动力学模型,并对机器人末端六维力/力矩传感器进行标定。 (2)提出一种机器人轨迹跟踪控制算法。分析机器人应用场景,建立机器人阻抗控制模型,并对质量参数、阻尼参数和刚度参数进行分析,为选择合适阻抗参数提供参考依据。针对轨迹误差会引发接触力发生波动,导致机器人末端打磨工具或工件损坏的问题,提出一种基于非奇异终端滑模阻抗控制方法,实现轨迹跟踪并对接触力进行调整。通过搭建Matlab/Simulink仿真模型,得到对比算法的轨迹跟踪响应曲线,证明所提方法的有效性。 (3)提出一种机器人恒力跟踪控制算法。在处理机器人在打磨过程中与工件接触产生的力超调问题,通过建立微分跟踪器,来设计期望力的平滑过渡方案。考虑机器人在非结构环境下接触力跟踪不稳定问题,提出一种基于超螺旋滑模的自适应阻抗控制方法,实现对机器人末端接触力的稳定跟踪控制。通过仿真实验,证明所提方法的优越性。 (4)机器人打磨工艺包设计。为提高示教打磨的简便性,设计机器人打磨工艺包软件,提升机器人打磨轨迹规划效率。并将相关控制算法融入机器人控制系统中,在打磨平台上完成了验证。实验结果表明,所提算法能够很好的实现机器人的轨迹跟踪和不同环境下的恒力跟踪。