关键词： 液压足式机器人   阻抗控制   刚度阻尼映射   关节阻抗控制自闭环  

摘要： 阻抗控制是一种常见的主动柔顺控制方法,已经广泛用于液压机器人腿部柔顺控制中,通过设置足端阻抗参数可以实现腿部柔顺效果。但在腿部足端进行阻抗控制存在两个问题,一是运动学、静力学与动力学解算过程会影响柔顺控制响应速度,二是不利于阻抗新构型中不同关节阻抗控制内环选取。为了解决上述两个问题,并实现液压足式机器人单腿自闭环阻抗控制,本文进行了以下主要研究工作: (1)液压足式机器人足端与关节闭环阻抗控制方法研究。首先通过D-H坐标变换、虚功原理和拉格朗日动力学方程对液压机器人腿部结构进行运动学、静力学和动力学建模;然后基于阻抗控制原理,建立机器人足端和液压驱动单元关节闭环阻抗控制框架。 (2)足端与关节间等效刚度、等效阻尼的非线性映射建模与仿真。首先推导了机器人末端执行器到关节液压驱动单元的等效刚度、阻尼映射矩阵;其次将等效刚度、等效阻尼映射矩阵应用到转动驱动二连杆与直线驱动二连杆系统中,采用分步验证的方式实现了等效映射方法的仿真验证。 (3)基于等效刚度、等效阻尼映射方法对机器人末端与关节阻抗控制进行分析。分别建立机器人末端与关节阻抗控模型,并分析了文中提出的“完美阻抗”与“非完美阻抗”表达式及控制效果差异。在此基础上,提出一种基于“差分法”(FDM)的关节空间等效刚度与等效阻尼验证方法,提高解算精度;最后搭建仿真模型,完成了相关算法的仿真验证。 (4)等效刚度与等效阻尼映射方法准确性实验验证。利用两种液压足式机器人腿部构型实验台对所提出的等效映射方法有效性进行实验验证。

关键词： 柔顺机构   空间平动解耦   构型综合   数学建模  

摘要： 柔顺机构是一类利用材料自身的弹性形变产生运动的机构,相比于刚性机构具有无回程误差、可一体化加工、无摩擦磨损等优点,在精密工程、微型机器人、空间通信、智能结构等应用场景中作为核心机械组件发挥着举足轻重的作用。空间平动解耦柔顺机构是柔顺机构中重要的一类,因其具有多轴运动解耦性能而在三维精密运动或定位系统中具有巨大的应用潜力。除运动解耦性能外,还希望柔顺机构具有柔顺支链对称、易加工等特点,以达到降低寄生运动、减小装配误差以及降低加工成本的目的。然而,目前存在的构型综合方法更多关注实现柔顺机构的期望自由度,较少兼顾上述多个性能指标要求。多数构型综合方法对限制空间的确定基于设计经验,缺乏数学化求解限制空间的方法。尽管存在以旋量理论为数学基础的构型综合方法,但是存在概念抽象,需要借助图谱简化设计难度的问题。综上,目前的构型综合方法对限制条件多样、构型复杂的柔顺机构构型综合仍然较大程度依赖设计经验,难以通过足够简单的数学化流程确定限制空间,难以产生多样化设计结果。针对上述问题,本文提出了限制代数构型综合方法,并进行了实例验证和分析,具体研究如下: 提出了限制代数构型综合方法满足以空间平动解耦柔顺机构为代表的多限制条件复杂柔顺机构构型综合需求。针对复杂柔顺机构限制空间难以数学化计算、柔顺支链对称设计要求难以数学化表达的问题,本文提出用柔顺模块局部坐标系下的限制向量表示各柔顺模块限制,用柔顺模块局部坐标系相对于机构全局坐标系的固定X-Y-Z欧拉角表示柔顺模块空间姿态。基于此表示方式,本文在分析总结现有柔顺机构限制传递机理的基础上推导了以限制向量和欧拉角为变参的限制方程,从而兼顾了对复杂柔顺机构运动解耦设计要求和柔顺支链对称设计要求。由于限制方程存在多解,采用本文方法可以获得多样化构型。 综合了新型空间平动解耦柔顺机构构型以验证限制代数构型综合方法的实用性。限制方程保证了该构型具有运动解耦性能和柔顺支链对称性。采用分布柔度柔顺单元结合运动解耦性,保证本文综合的构型具有较大运动行程。此外由于在构型综合各个环节对加工性的考虑,本文综合的复杂柔顺机构可以实现一体化加工。为了进一步分析本构型的运动学和动力学性能,本文采用动力刚度建模方法建立了其数学模型,同时结合有限元模型分析了机构性能以验证其符合设计要求。另外,本文为设计的空间平动解耦柔顺机构设计了PID控制器和状态反馈控制器以从理论上实现柔顺机构的轨迹跟踪。最后本文加工实验样机并搭建实验平台测试了设计构型的开环轨迹输出性能。

关键词： 矿用救援机器人   运动规划   柔顺控制   超调   碰撞   全局路径规划   局部路径规划  

摘要： 针对救援机器人在矿井复杂环境中自主行走和躲避障碍过程中出现超调、不连续、易碰撞损坏等问题，采用基于图搜索的A*算法完成全局路径规划，采用DWA算法完成局部路径规划，使机器人运行更加稳定、高效。对机器人在不同刚性环境下的柔顺控制进行研究，提出一种基于加权方式的矿用救援机器人阻纳混合控制方法，有效降低机器人碰撞产生的冲击力。仿真结果表明，设计的运动规划算法与柔顺控制方法提升了救援机器人在井下复杂环境中工作的适应性和稳定性。

关键词： 协作机器人   机器人动力学模型   干扰观测器   碰撞检测   柔顺控制  

摘要： 随着装配作业、智能分拣等工业生产领域对产品的制造效率和出厂质量等要求不断提高,传统的手工生产模式已无法满足当前的产能需求和精度约束。协作机器人因其灵活安装和高效工作的特点在智能制造领域受到广泛关注。但协作机器人在人机共享空间执行工作时仍存在一些风险和挑战。机器人执行任务时,由于工作人员的突然加入使得工作环境不可预测且存在周围环境碰撞的风险,可能造成机器人的损害,甚至危及工作人员。在人机协同作业过程中,操作人员对机器人执行牵引动作会导致控制模型变化,保持人机交互的稳定性和柔顺性成为了一种挑战。为解决上述问题,本文以六自由度协作机器人为研究对象,分别在动力学建模与辨识、碰撞检测算法、柔顺控制方法等方面开展研究,完成的主要工作如下: (1)协作机器人动力学建模与辨识。通过分析机器人各连杆间力的传递关系探究关节运动状态与实际力矩间的转换关系,构建并辨识六自由度协作机器人动力学模型。基于工业电脑和伯朗特BRTIRXZ0805A型机器人搭建实验平台,引入残差均方根值(RMSE)评估模型的精度,通过力矩对比实验验证所建立模型的有效性。 (2)提出一种基于干扰观测器的机器人碰撞检测算法。根据机器人实际状况选择摩擦模型对已辨识的机器人动力学模型进行非线性补偿。介绍各经典机器人碰撞检测算法的实现原理。针对经典碰撞检测算法存在响应延迟的问题,提出一种基于干扰观测器的机器人碰撞检测算法。使用MATLAB仿真软件对比分析各碰撞检测算法的响应曲线并证明所提方法的有效性,通过实验平台验证碰撞检测方法的可行性。 (3)提出一种基于干扰观测器的机器人变阻抗自适应柔顺控制方法。详细分析了传统零力控制方法的实现原理及特定交互条件下该方法的弊端,针对定阻抗交互系统的动态响应能力不足的问题,提出了一种基于干扰观测器的机器人变阻抗自适应柔顺控制方法,确保人机协作自然、直观和高效。仿真实验结果验证了所提方法的有效性和可行性。

关键词： 遥操作机器人   主从异构   运动映射   非线性力反馈   柔顺控制  

摘要： 主从遥操作机器人系统常被用于执行危险、复杂、未知等特殊环境下的作业任务。主从异构型遥操作机器人由于主从机器人构型差异,导致了从机器人位置跟随精度不高、操作者难以通过力反馈准确感知从机器人末端所受交互力以及难以精准控制从机器人与交互对象的作用力等挑战。因此,本文针对主从异构型遥操作机器人的精准力-位控制技术,开展如下研究: (1)提出了基于奇异点规避与混合运动映射的主从机器人精准位置跟随方法。由于主从机器人构型差异,主从机器人的运动并非完全同步,且二者奇异点不同,因此从机器人难以精准跟随主机器人运动。针对从机器人在奇异点附近无法运动的问题,提出关节过渡奇异点规避策略,利用关节插补的方法穿越奇异区域;针对主从异构型遥操作机器人一般运动映射方法难以兼顾操作范围和操作精细度的问题,提出基于任务阶段划分的混合运动映射方法,根据任务的执行阶段不同分别采用常比例绝对式运动映射和基于位姿分离的自适应增益运动映射,并使用滑动平均滤波和误差反馈提升主从跟随精度;实验表明,所提方法具有良好的主从位置跟随精度,平均主从跟随误差为0.66 mm,在提高作业效率的同时仍具有较高的操作精细度。 (2)提出了基于外力估计与非线性力反馈的主从机器人精细外力感知方法。由于传感器读数包括零点、交互力和非交互力,故难以精确估计作用在末端工具上的交互力,且估计出的外力因主从机器人构型差异难以精准地反馈给操作者,因此操作者难以精细感知从机器人所受到的交互力。针对现有的通过基于模型的传感器标定与重力补偿方法估计外力误差较大的问题,提出基于多参数模型与BP神经网络的外力估计方法,以准确获取施加在从机器人末端工具上的外力;针对完全基于透明性指标的力反馈方法不利于操作者感知柔软环境中微小力变化的问题,提出基于刚度估计的非线性力反馈算法,通过基于混合动力学模型与可变遗忘因子递归最小二乘法(VFFRLS)的刚度估计方法估计环境刚度,并根据估计结果自适应调整力反馈算法参数;实验表明,所提方法能够使操作者精细感知外力,增强操作者在柔软环境中对力变化的感知能力,分辨不同刚度试样的正确率为93.3%。 (3)提出了基于自抗扰与双自适应导纳控制(ADRC-DAAC)的主从机器人精准柔顺控制方法。传统力-位置型主从遥操作系统控制结构下,从机器人机械地跟随主机器人运动,在高刚度环境中会反馈较大的交互力给主机器人,使操作者难以保持与主机器人的稳定交互,因此难以精准柔顺地控制从机器人与环境的交互力。针对传统力-位置型主从遥操作系统控制结构中从机器人的位置完全由主机器人控制致使其难以与高刚度环境稳定交互的问题,提出改进的力-位置控制结构,在从机器人的控制系统中引入导纳控制器作为另一位置控制器,以实现从机器人的力-位混合控制;针对交互对象表面位置信息和刚度信息未知时传统导纳控制算法无法保证力跟踪精度的问题,提出基于自抗扰控制(ADRC)的双自适应导纳控制(DAAC)算法;实验表明,所提方法能够使从机器人与高刚度环境保持稳定交互,且具有良好的力控制精度,力控制误差在0.5 N以内。

关键词： 双臂机器人   协同控制   动力学建模   柔顺控制  

摘要： 随着机器人逐渐深入人类生活,人机交互场景越来越多。与单臂机器人相比,双臂机器人由于其更多的自由度和冗余性,可以协作或独立完成更为复杂和灵活的任务。双臂机器人协同运动规划是研究的热点,近年来人机协作的安全性也被广泛关注。 本文面向协同搬运任务,对双臂机器人的协同工作空间进行了研究,给出了双臂协同策略。并结合基于关节前馈力矩的柔顺控制器,设计了主从式双臂协同柔顺控制策略,保证了双臂协同搬运的可靠性与人机交互的安全性。具体研究内容如下: (1)根据双臂机器人协同搬运任务需求,分析了机器人控制系统的功能和性能指标,确定了双臂机器人的控制策略,并设计了控制系统的硬件和软件。 (2)采用D-H法建立了双臂机器人运动学模型,给出了其正、逆运动学解,并在Webots中搭建了仿真环境,验证了正、逆运动学的正确性。基于正运动学与蒙特卡洛法分析了不同任务下双臂机器人工作空间,并针对协同搬运任务给出了双臂末端的位姿与力约束,从而确定了双臂协同控制策略。 (3)使用牛顿-欧拉法,结合库伦-粘滞摩擦模型,建立了双臂机器人的动力学模型并对其进行线性化。根据由线性模型计算得到的前馈力矩,结合双臂协同控制策略,设计了基于关节前馈力矩的主从式双臂协同柔顺控制策略,其中主臂采用柔顺控制,从臂采用位置控制进行跟随。 (4)基于双臂机器人平台完成了单臂柔顺控制策略和主从式双臂协同柔顺控制策略实验验证。单臂柔顺控制中各关节轨迹跟踪过程绝对误差在允许范围之内,外力撤去后能恢复到预定轨迹。在双臂协同柔顺控制实验中,主臂跟踪轨迹时在外力作用下会沿外力方向运动,显示出顺应性,同时从臂也实现了快速跟随,跟随误差不超过0.015 m。实验结果验证了单臂柔顺控制策略和主从式双臂协同柔顺控制策略的可行性,满足控制预期要求。

关键词： 起落架   着陆运动   阻抗控制   柔顺控制  

摘要： 起落架在直升机的起降过程中扮演着重要角色,其直接影响飞机降落过程中的缓冲效果以及支撑机体的稳定性,而作为全地形式的直升机起落架,控制系统对其着陆时的性能表现至关重要。目前大部分能够自适应地形的起落架在依据地形调整完起落架的姿态后会进行姿态的固定,随后依靠机械结构被动的吸收冲击力,这将对起落架结构的可靠性,运动控制的协调性和稳定性造成不利影响,并大幅度折扣了起落架的缓冲性能。为了有效降低起落架在着陆过程中的足端冲击力和提高起落架的着陆缓冲性能,本文设计了一种具有地形适应能力的起落架,并通过研究该起落架的运动学特性和对其质心运动轨迹的规划,探究起落架腿部与地面接触时的柔顺控制策略,实现起落架着陆的柔顺性。主要研究内容如下: (1)根据全地形式直升机起落架的降落流程与性能要求,设计起落架结构并建立相应数学模型。通过对起落架的运动学分析,建立起落架单腿传动的数学模型,得出电机转角与起落架各支腿末端位移之间的函数关系,同时得到单腿垂直方向位移的范围;将起落架的单腿系统简化为“质量-弹簧-阻尼”模型,分析确定单腿系统的质心位置以及整机的质心位置,研究起落架着陆过程并规划起落架着陆缓冲时各支腿的质心运动轨迹。 (2)基于阻抗控制的思想和起落架各支腿系统的运动特点,设计了一种以位置为内环、阻抗为外环的柔顺控制方法。对比分析了不同的柔顺控制方法,确定将基于位置阻抗控制的控制策略应用于全地形起落架腿部的柔顺性控制,并结合规划的着陆过程起落架质心的运动轨迹,建立起落架着陆的柔顺控制系统。 (3)建立起落架的三维模型、柔顺控制模型和搭建试验平台,进行运动控制仿真与试验。利用Adams-Simulink进行联合仿真,对比分析起落架在没有柔顺控制时和有柔顺控制时的着陆缓冲运动表现,最后进行落地试验。结果表明,具有合理质心轨迹规划和基于位置阻抗控制的柔顺控制系统能有效减小起落架着陆时与地面接触的冲击力,使起落架系统在落地过程中能表现出较好的柔顺性。

关键词： 多源干扰   四足腿臂机器人   复杂地形   柔顺性  

摘要： 面向助盲出行的重大民生需求,本论文研究一种四足腿臂机器人的柔顺控制,旨在实现对盲人的顺应牵引。所提方案的主要思想是将四足腿臂机器人的控制问题分解为:1)解算牵引作业下牵引臂对四足躯干的力旋量;2)将所解算的力旋量视为作用于四足机器人的一类可量测的“干扰”,进而结合强化学习和模型预测控制研究其柔顺控制。论文的主要工作如下: (1)面向助盲牵引作业,设计了一种五自由度的机械臂,并基于所建立的正/逆运动学和动力学模型,给出了典型牵引作业下牵引臂对四足躯干的力旋量的解析表达,并通过仿真实验对设计和数学模型进行了验证。 (2)给定四足躯干质心的期望轨迹,针对具有四个轻质杆的躯干单刚体模型,考虑摆动腿和支撑腿末端运动约束、足端摩擦锥约束以及关节限位约束等,提出一种对角步态下基于模型预测控制的四足机器人全身控制方法,实时求解满足全部约束条件的关节力矩。通过仿真实验验证了所提方法的有效性。 (3)考虑机械臂执行特定轨迹作用于躯干的力旋量以及复杂地形所产生的干扰,综合运动柔顺性、跟踪性能及能耗等因素设计了奖励函数,进而提出了一种DPPO和模型预测控制相结合的四足机器人柔顺控制方案,实现了多源干扰下四足机器人在仿真环境下的运动控制。 (4)将所提出的DPPO和模型预测控制相结合的四足机器人柔顺控制策略部署在宇树A1四足机器人实验平台。真实环境下的绳系牵引导盲实验结果表明所提算法具有较好的地形适应性和抗干扰性。