关键词： 机器人   阻抗控制   临界试度法   自适应阻抗   模糊控制  

摘要： 随着科学技术的不断进步，各式各样适合人类需要的机器人已经出现在了人们的工作和生活中，有些机器人的能力甚至超出了人们的想象。机器人在自由空间的控制已经取得了良好的效果，在这样的环境中机器人不与外界物体接触只需要考虑路径规划问题。但是在工业生产中以及现实生活中物体之间的接触是不可避免的，机器人也同样需要和外界接触来完成指定的功能。本文研究的控制算法正是为了解决这类有力接触的问题而提出的。 首先，研究了基础的阻抗控制算法，运用阻抗控制把运动轨迹和力控容纳到一个动态框架中。避免了位置和力需要两套控制策略，减轻了控制任务，并且对环境变化和扰动有很强的适应能力。通过阻抗关系把很难同时控制的力和位置统一控制，实现起来变得简单了。阻抗方程中的惯性系数，阻尼系数，刚度系数等参数的选择直接影响系统的动态性能。本文首先通过大量的试用来得到3个重要的阻抗系数，使得惯性系数，阻尼系数，刚度系数都取得了比较理想的值。在自由空间里输入不同的函数来验证阻抗控制算法，可以看出经过控制器后输出曲线快速准确地跟踪上了输入的曲线。在受力空间中主要验证力的跟踪情况，通过实验可以看出阻抗控制可以把力控制在一定的范围里，这样在实际工作有很大的用处。 然后，使用了临界试度法来调整阻抗参数，首先把阻尼系数取值尽量小而刚度系数取值尽量大，这样就把这两个系数对系统的影响降到最低，来突出惯性系数对系统的调节作用。得到临界惯性系数和临界周期后制定经验公式表，得到理想的阻抗参数。这种离线调节系数的方法取得了良好的效果。避免了一个一个系数试用的繁琐工作，能快速得到最优的系数值。 接着，研究了自适应阻抗控制算法，它与基础阻抗控制算法相比，最大优点是可以在未知的环境下跟踪准确的期望力。自适应阻抗控制算法可以在未知的实验环境中进行力信息的处理，使用上一个控制周期的力矩来弥补阻抗方程中的不确定性。此算法中不再像基础阻抗算法那样要求精确的模型，只需要通过迭代思想使用上一个采样周期的扭矩和角速度即可。进一步研究了系数变化对控制效果的影响，并与基础阻抗控制算法进行了比较。 最后，引入模糊理论来在线调整阻抗参数，在实际运行中,不断检测期望位置和实际位置的差值和其变化率。进行模糊推理激活制定好的模糊规则，然后解模糊、输出控制量。从而实现了惯性参数M，阻尼参数B，刚度参数K的在线调整，这就直接在仿真平台上得到理想的阻抗参数，对期望的位置和力进行控制，省时准确地完成控制任务。

关键词： 并联机构   头部运动预测   主动柔顺控制   位置控制   动力学模型   阻抗控制   位/力混合控制  

摘要： 对头盔伺服系统(HMDPM)主动柔顺控制策略的主要内容———轨迹规划和控制方法进行了研究。首先,采用基于力反馈和滑动杆动力学模型的头部运动预测法进行轨迹规划,该方法利用并联机构(PM)分支杆长与运动平台位姿间的映射关系,通过力反馈信息和6-3UPS并联机构滑动杆动力学模型对头部运动进行预测,为头盔伺服系统的位置控制提供期望轨迹;然后,基于头盔伺服系统的动力学模型对系统的惯性项和非线性项进行了计算,设计了惯性项和非线性项补偿控制器,在进行头部运动跟踪的同时,实现了头盔显示器与头部间接触力的控制;最后,采用SimMechanics模块建立了HMDPM—人交互模型,并进行了相关验证实验。仿真结果表明,基于力反馈和滑动副滑动杆动力学模型的头部运动预测法能实时地、较为准确地预测出头部运动位置;基于动力学模型的惯性和非线性项补偿控制器不仅可以较为准确地跟踪头部运动,而且还能有效地减小头盔显示器与头部间的接触力,降低执行机构的刚度、减少系统摩擦力等非线性因素对使用者的干扰。

关键词： 机器人   自动装配   柔顺控制   约束条件   工作原理  

摘要： 在机器人执行精密精确的装配作业中，柔顺装配技术被广泛的用于解决装配过程中机器入与它周围装配件之间存在的问题，因此，机器人柔顺装配技术成为一门热点研究课题。本课题在参阅了大量相关文献的基础上，针对装配作业中一些典型轴类零件装配的相关问题进行了研究，试图找出一种较好的柔顺控制策略、得到满足装配的约束条件或者影响装配的因素。\n 首先，介绍了在柔顺装配方面的研究背景、国内外研究状况以及控制策略方面的研究状况，确定出在装配过程中采取主动柔顺控制方式，并对于目前所提出的四种控制策略：阻抗控制、力/位混合控制、自适应控制以及自动控制策略进行概括，比较它们的优缺点，最终结果：选取力/位混合控制策略为本课题研究所主要采取的控制策略。\n 其次，针对机器人被用来实现柔顺装配作业的控制方法、原理进行了分析，主要是分析了力/位混合控制的工作原理，并列举实例来说明该策略在实际生产生活中的可用性。\n 再次，通过对柔顺坐标系的建立和给定轴孔装配的力学模型，对机器人在装配控制过程中的受力情况进行分段分析总结，分析它在通过倒角阶段、一点接触阶段和两点接触阶段的受力情况，将最终的受力用装配力曲线图表示出来，通过对装配力曲线的分析，得出柔顺装配过程中，两点接触阶段最为关键，最容易出现装配不能顺利进行下去的情况。\n 进而，讨论、分析在机器人作业中可能会出现的不柔顺特征：对卡阻和楔紧这两种不柔顺特征下的装配进行受力分析，得出影响装配作业的不柔顺特征出现的原因、避免这些状况发生所应满足的约束条件。\n 最后，应用Matlab软件实现了各参数对装配力影响的仿真分析，包括初始侧向偏移误差、侧向刚度、初始角度偏差、角偏转刚度等对装配力在各个阶段的影响，总结仿真结论，得出影响装配的关键参数是初始侧向偏移偏差和侧向刚度，这些参数的分析对装配作业过程的分析更为方便，并且对装配作业有指导意义。

关键词： 空间机器人   工具更换   位姿容差   柔顺控制  

摘要： 随着人类空间探索的不断前进，空间探索任务呈现多样化、复杂化的趋势。空间任务属性的多样化意味着需要不同功能的末端执行器，这又意味着研发成本和发射成本的增加。所以非常有必要研制末端工具可以更换的末端执行器来扩展空间机器人的功能。本文对实验室现有可更换工具末端执行器进行机构优化，并对其进行位姿容错分析、仿真与实验，最后结合空间机械臂对其工具更换进行了研究。 通过实验分析现有末端执行器的不足并结合国内外同类研究成果，本文提出一种由凸轮机构演化的时序机构，以实现末端执行器对工具的捕获锁紧、动力传递和电气连接。通过三维建模软件完成相应零部件的设计、虚拟装配、干涉检查。并利用虚拟样机技术对主要机构进行运动学、动力学分析。最后分别用有限元分析软件对复杂结构、重要承力零部件和计算方法对典型结构零件进行了校核。 位姿容错能力是可更换工具末端执行器的重要指标之一。本文分别在末端执行器与工具端建立坐标系，通过关键曲面的投影分析，得出位姿容错所需的几何条件并通过受力分析得出了其所需的摩擦条件。并通过虚拟样机技术对典型位姿偏差的状态进行仿真分析，验证其容错能力，得到相应情况下的接触力情况。并搭建柔顺实验平台，验证仿真分析结果。在排除实验系统误差的前提下，实验结果与仿真结果大致一样。 最后，结合上述对容错能力的分析结果，分析末端执行器的工具更换过程。在对对接过程的详细阐述之后，提出了对接成功的依据及对接策略。通过的机械臂阻抗控制的学习，提出了基于四自由度空间机械臂阻抗控制的主动柔顺对接方案，并对其进行了实验。

关键词： 中医按摩机器人   仿人机械手   运动控制   柔顺控制   神经网络  

摘要： 随着国民经济的发展,中国正在逐步地进入老龄化社会,由于我国的人口基数大,服务业发展相对滞后,使得相关扶老助老行业发展的严重不足。中医推拿按摩作为中医的一种物理疗法,在医疗保健方面有着很多的应用,作为一种清洁的治疗方法,长期以来一直受到广大患者的认可。研究开发一种中医按摩机器人来代替按摩技师对老年人进行医疗保健护理,解决当前助老扶老行业人力资源不足的问题成为当前迫切需要解决的问题。近些年来随着中医按摩医学在世界范围的流行,国内外的专家学者们对按摩机器人的技术问题进行了大量的研究。中国国家“十一五”高新技术发展规划(“863”计划)先进制造技术领域服务机器人重点项目课题,也对中医按摩机器人进行了立项研究。 山东建筑大学机器人研究所承担了该项目,研制开发了中医按摩机器人,将按摩技师从繁重的体力劳动中解放出来。中医按摩机器人的研制已经经历了两代,本论文利用中医推拿按摩理论、计算机、自动控制理论、机电一体化技术,设计了一种能够实现多种按摩手法的第二代中医按摩机器人的运动控制系统。 本文对按摩机器人的总体结构进行了设计,并对机器人的传感器单元、运动控制单元、执行动作的机械臂和仿人机械手模块进行了设计。设计完成了中医按摩机器人运动控制柜,并综合考虑电磁兼容、散热等因素完成了控制柜内部电源线和控制信号线的布置,保证了整个运动控制系统的安全稳定运行。 在中医按摩机器人机械结构的基础上,对整个系统进行运动学建模,按照D-H算法建立机械臂和仿人机械手的运动学方程,推导机械手在基坐标系下的位置与关节转动变量之间的关系,利用MATLAB进行了轨迹的仿真。针对按摩机器人所要求的安全性、可靠性、舒适性等,依据柔顺控制的相关理论对仿人机械手进行研究,并将其算法应用于中医按摩机器人运动控制系统中。以掌揉手法为例,进行了相关算法的研究和仿真实验。 根据中医按摩机器人的基本机械结构参数和相关算法研究,对运动控制进行编程；对于相关的按摩手法,进行了编程实现；对上位机的编程和部分算法进行了研究以实现操作者对按摩机器人的控制。对中医按摩机器人进行了临床试验,以某个典型的患者为例,对整个流程进行了叙述。 对本文研究设计的中医按摩机器人进行总结,同时提出了可以进一步改进的地方,对按摩机器人进行了未来发展的展望。

关键词： 四足机器人   柔顺结构   动态运动   中枢模式发生器  

摘要： 科学研究进程表明,足式机器人的运动正由静态行走,向跳跃、奔跑等高速动态运动延伸,传统的刚性机体结构无法实现这些高级运动功能,机构的柔顺化是提高足式机器人运动性能的必然要求。本文针对刚性四足机器人动态行走时的躯体姿态不平稳和地面冲击力大等问题,提出了一种以局部被动自由度为特征的柔顺四足机器人结构方案,提出了运动控制算法,并搭建实验平台完成了柔顺四足机器人的行走实验和性能评价。论文完成的工作如下： 设计了以局部被动自由度为特征的柔顺四足机器人结构,即在刚性四足机器人腿部末端添加由压簧约束的直线移动副构成弹性腿部,在腰部添加由扭簧约束的横滚、偏转两个方向的转动副,形成柔性腰部。建立了四足机器人运动的简化受力模型,进行了柔顺特性参数的设计计算,完成了柔顺四足机器人样机的制作。 建立了基于正弦周期函数的中枢模式发生器(CPG)模型,作为四足机器人节律运动控制器,采用优化方法,确定CPG模型参数。 提出了柔顺结构运动性能评价方法,搭建了包括足端压力测试系统和躯干姿态测量系统的柔顺四足机器人运动评价系统。 设计了柔顺四足机器人与刚性四足机器人对比行走实验,分别对弹性腿部、腰部被动横滚自由度和偏转自由度对于四足机器人运动性能的影响进行了评价、分析。 实验表明,柔性机体能够有效的降低机器人行走时的地面冲击力,减小躯干姿态变化程度,对提高机器人行走协调性和姿态平稳性具有积极效果。

关键词： 灵巧手   气动人工肌肉   抓持控制   阻抗控制算法  

摘要： 随着自动化水平的不断提高，机器人技术的应用也越来越广泛，它的末端执行器的灵活性与柔性是其自动化水平的重要体现。本论文通过对国内外灵巧手控制应用方面的总结、研究，采用分级控制方案设计了仿人多指灵巧手抓持控制系统，同时运用基于位置的阻抗控制策略，实现了柔顺运动控制。课题的研究具有实际的应用意义。 首先，通过对系统控制方式的分析，采用分级控制方案设计了仿人多指灵巧手的控制系统。第一级为控制层，它是基于C8051F040单片机构建单手指控制器，来对灵巧手单根手指关节角度和指尖力信息进行数据采集和处理。第二级为协调层，它完成灵巧手各个手指的协调运动，采用LF2407A DSP处理由手指控制器经过CAN通信方式传递的现场数据信息，通过阻抗控制算法完成各手指负载的分配及位置控制。第三级为规划层，它完成灵巧手抓持规划，采用C++Builder6.0设计人机交互界面，来动态显示不同手指各个关节的角度值和指尖力变化曲线，并通过抓持规划算法将规划的位置及力信息通过串行通讯总线送给协调层。 其次，完成仿人多指灵巧手气动驱动系统的设计，采用自制的气动人工肌肉来驱动手指各个关节的运动；利用Altium Designer6.9电路设计软件，完成了单手指控制系统硬件电路的设计以及DSP控制系统硬件电路的设计。 最后，利用MATLAB/simulink仿真工具，建立了手指的仿真模型，完成了灵巧手控制系统的位置和力控制仿真。采用基于位置的阻抗控制策略实现了柔顺控制，在Silicon Laboratories IDE集成开发环境下，编写出了控制程序。通过气动驱动系统、硬件电路及软件的联调，验证了控制算法，实现了仿人多指灵巧手抓持控制系统的设计及柔顺控制。

关键词： 康复训练机器人   虚拟现实   OpenGL   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 随着机器人技术的发展，将机器人辅助治疗技术应用到中风患者的康复训练中，已经受到了国内外研究人员的重视，并逐渐成为康复工程领域研究的重要课题和热点。具有重要的研究意义和应用价值。 本文主要研制了一套上肢康复训练机器人系统，并对其柔顺控制策略进行了研究，具体工作如下： 1、根据国内外上肢康复机器人的发展状况，提出了上肢康复训练机器人系统的总体设计方案。主要包括机械结构设计、安全性设计、机器人控制系统方案的设计、传感器及电机的选择等，介绍了系统的四种训练模式并确定了控制系统所采用的控制策略。 2、设计了康复训练机器人控制系统的硬件电路，主要包括：电源电路、传感器数据采集电路以及电机驱动电路等。 3、设计了康复训练机器人控制系统的软件，主要包括：下位机控制系统软件、基于Labview上位机监控系统软件。下位机控制系统软件主要包括：信号采集模块、网络通信模块、运动控制模块等。 4、设计了虚拟现实辅助训练软件，采用OpenGL为本系统开发了一套虚拟现实辅助训练软件来辅助患者进行康复训练。 5、研究了上肢康复训练机器人柔顺控制策略，重点研究了机器人的阻抗控制策略，并通过Simulink仿真分析了各阻抗参数对机器人力控制性能的影响，为以后根据不同的康复训练环境如何选择合适的参数提供依据。仿真结果表明本系统设计的阻抗控制器能够使康复机器人达到很好柔顺控制效果。

关键词： 非合作目标对接   空间机械臂系统   最佳碰撞构型   路径规划   非接触阻抗控制  

摘要： 随着航天技术的发展，空间对接由合作目标对接向非合作目标对接发展。利用非合作目标对接技术可实现空间任意飞行器之间的对接，扩展空间活动范围，如实现空间垃圾清理、卫星回收、燃料补给、零件更换、系统升级等空间活动。非合作目标对接技术具有很高的应用价值和军事意义，世界各航天大国都在积极进行研究和试验。我国对非合作目标对接技术的研究落后于发达国家。因此，加快研究空间非合作目标对接技术十分迫切。本文以具有能源消耗低特点的自由漂浮模式空间机械臂系统为研究对象，对其在执行非合作目标抓捕任务中的相关问题进行了研究，主要包括空间机械臂最佳碰撞构型的规划问题，抓捕前空间机械臂系统的路径规划问题以及空间机械臂系统的柔顺控制问题。 通过对空间机械臂系统的速度分析，推导出其运动学方程；采用拉格朗日方程法完成了系统动力学模型的建立；结合动量表达式，推导出系统的广义雅可比矩阵，为后续最佳碰撞构型及路径规划等相关问题研究做好了充分的理论准备。 基于角动量定理，研究了空间机械臂系统在执行非合作目标抓捕任务中的最佳碰撞构型问题，确定了最佳碰撞构型的判断依据，分析了系统及其各组成部分的角动量受碰撞力的影响，完成了自由漂浮六自由度空间机械臂系统的最佳碰撞构型规划。空间机械臂保持最佳碰撞构型，可对系统在抓捕任务中产生的角动量增量实现有效控制，提高了非合作目标对接的安全性和可靠性。 开展了空间机械臂系统路径规划的研究，包括点到点路径规划及连续路径的规划。连续路径规划包括连续位姿追踪规划和基座姿态无扰动路径规划。由于系统基座姿态的改变易对机械臂运动产生较大的干扰，影响路径规划中机械臂末端位姿的追踪精度。本文重点研究了基座姿态无扰动下的路径规划，保证空间机械臂系统准确到达期望位置的同时，实现系统基座姿态不受扰动，并使空间机械臂各关节保持捕获前最佳碰撞构型状态。 为有效减小空间机械臂系统在抓捕过程中产生的碰撞力，本文研究了空间机械臂系统的柔顺控制问题。将非接触阻抗控制算法应用于空间机械臂系统，在传统阻抗控制算法的基础上，利用虚拟接触的概念，建立了虚拟阻抗模型，通过调整各阻抗参数值达到有效控制碰撞力的目的。本文通过仿真研究了非接触阻抗控制算法中各阻抗参数变化对控制性能的影响，并确定了非接触阻抗控制中阻抗参数的初步调整原则。

关键词： 3-PPSR精密并联机器人   动力尺度综合   柔顺控制   阻抗控制   自适应控制  

摘要： 精密并联机器人具有刚度大、定位精度高等优点，同时采用压电马达等精密驱动原件驱动，使得精密并联机器人在精密尺度作业中具有广泛用途。精密并联机器人进行作业时，往往与环境对象接触，不再是一个独立的运动控制系统，需要具有一定的柔顺性来适应操作对象，因而研究柔顺控制策略，并将其应用在精密并联机器人十分重要。本文针对于一种3-PPSR构型的精密并联机器人进行动力尺度综合和柔顺控制策略研究应用。 3-PPSR精密并联机器人具有多个运动学闭链约束，造成了逆运动学容易获得，而正运动学难的特点。本文利用构型约束关系和矢量理论，得到了逆运动学解析解和雅克比矩阵的显示表达式，采用牛顿迭代法得到了运动学正解数值解，并采用牛顿欧拉法建立了3-PPSR精密并联机器人动力学模型。 由于全域可操作度等指标仅描述机构的运动性能，不能反映并联机器人的动力学性能，结合精密并联机器人柔顺控制反应速度快，动力学性能好的需要，以压电马达全域最大驱动力的最小值作为优化目标，对3-PPSR精密并联机器人进行动力学尺度综合。在得到最优关键尺寸的基础上，设计了其动平台，转接座及支链的结构，并利用Abaqus软件对并联机构进行形变分析和模态分析，通过计算得到了各个方向的刚度。 压电马达驱动器控制是精密并联机器人位置控制的基础，利用高分辨率光栅尺作为位置反馈元件，设计了饱和积分分离PID位置驱动器。在此基础上根据运动学模型，对3-PPSR精密并联机器人进行位置控制，并通过测量重复性和分辨率，验证了位置控制性能。 最后研究了柔顺控制策略中的阻抗力控制的实现方法，并利用安装在3-PPSR精密并联机器人动平台上的六维力/力矩传感器作为力反馈，对其进行阻抗力控制。由于环境参数对于不同的环境对象有很大不同，且经常不能够准确获得，为了避免对环境参数的依赖，在阻抗力控制基础上加入自适应控制器，直接根据力偏差在线调节参考位置，进行3-PPSR精密并联机器人自适应力控制。