关键词： 遥操作   虚拟现实   柔顺控制   在轨维护   空间机器人  

摘要： 利用空间机器人代替宇航员进行太空作业,不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害,还可以降低成本、提高空间探索活动的效率。由于空间工作环境非结构化及工作任务多变的特点,同时受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展水平的制约,目前研制出在空间环境下完全自主工作的机器人还很难实现。因此,切实可行的方法是充分利用人的智能进行高层任务规划,采用地面遥操作空间机器人的方式完成空间作业。本文针对卫星在轨维护任务,建立了卫星自维护的地面遥操作演示平台,对基于虚拟现实和局部自主的空间机器人遥操作进行了研究。 本文建立了一套卫星在轨自维护的地面遥操作演示系统。利用人为增加时延的方法,位于武汉的操作者通过Internet遥操作位于哈尔滨的机器人完成卫星维护任务,模拟了地面遥操作空间机器人的大时延情况,并利用虚拟现实技术实现了三维图形预测显示,有效地克服了大时延对遥操作的影响。利用反馈的机器人实际位置和视觉识别操作对象结果,在虚拟环境下重新构建了虚拟的实际机器人和操作对象场景,有效地克服了低带宽对流畅视频传输的限制,使操作者直观形象地感知远端实际状态。 在遥操作的主操作端,遥操作的操作安全性与操作性能之间是互斥的。手动操作的操作性能差但处理异常能力(安全性)强,离线任务规划的操作性能好但处理异常能力差。本文提出了在主端利用柔性虚拟夹具方法辅助遥操作,通过柔性系数调节机器人倾向于理想运动方向的程度,有效地将离线任务规划与操作者手动控制结合起来,在遥操作的安全性与操作性能之间进行折衷,保证了遥操作的操作精度与异常处理能力。并在此基础上,将虚拟力反馈、颜色识别及虚拟厚度方法融合到柔性虚拟夹具中,进一步提高了操作性能。 在遥操作的从机器人端,实现了基于关节位置、关节力矩、腕力传感器和视觉的多传感器机器人局部自主功能,提高了机器人的智能水平。在自由运动阶段,采用基于视觉的机器人最优接近速度控制。在约束运动阶段,针对空间机器人经常与高刚度环境接触情况,基于力外环思想,本文提出了基于阻抗内环的力跟踪方法,对比实验证明该方法保证了机器人与高刚度环境接触时较好的力控制性能。 基于虚拟现实遥操作的前提是虚拟模型与实际场景的一致性。然而,受空间环境变化及传感器测量误差等影响,虚拟模型与实际场景之间存在着不可避免的模型误差。本文将模型修正法与机器人的控制方法结合起来,一方面在遥操作主端利用反馈的机器人实际位置和视觉识别结果分别对虚拟机器人和虚拟操作对象的位姿进行修正,尽可能地减小虚拟模型与实际场景的差别;另一方面,对于仍残存的模型误差,在从机器人端采用对模型误差具有一定的鲁棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法,进一步消除残存的模型误差。实验证明了该方法能够消除模型误差对遥操作的影响。 在本文的最后,对于结构化空间环境,采用基于虚拟现实的遥操作方式克服了约14秒的大通讯时延对遥操作的影响,顺利地完成了打开卫星天线的卫星维护任务。对于存在误差的非结构化空间环境,分别进行了打开卫星太阳能帆板和擦拭卫星镜头的两个典型卫星维护遥操作实验,克服了模型误差对遥操作的影响,验证了本文提出的空间机器人遥操作方法的正确性和有效性。

关键词： 六足机器人   模块化关节   力传感器   轨迹规划   阻抗控制  

摘要： 随着人类对自然界探索的不断发展,各领域对能够在复杂环境中自由移动机器人的需求日趋广泛。六足仿生机器人对地形的适应能力比较强,能够在复杂的地表高效行走,具有冗余的肢体结构,可以在失去若干肢体的情况下,继续执行一定的任务。因此,六足仿生机器人比较适合进行野外侦查、水下搜索以及太空探测等对机器人的可靠性、自主性要求较高的工作。本课题的目的是设计一种模块化的、具有力感知功能的六足仿生机器人的单腿结构,并对设计的单腿进行运动学分析和足端轨迹规划,研究足端与地面接触过程足端力的柔顺控制策略,实现腿部的柔顺控制。 本文从仿生学的角度出发,对六足昆虫的腿部进行研究。分析了腿部结构和功能特点,以此为基础设计完成了六足仿生机器人的单腿结构:完成了模块化关节的设计,在高集成度的要求下有效地减小了关节尺寸;实现了集成于腿部结构的力和力矩传感器,包括足端三维力传感器和关节力矩传感器的设计;设计了集成于单腿胫节的被动柔顺机构,结合力感知功能为后文单腿的力柔顺控制奠定基础。 对设计的单腿进行了运动学分析,建立了单腿的D-H坐标系,求出了机器人单腿的运动学正解、逆解和雅可比矩阵,为下文机器人整体运动和控制提供条件。根据六足机器人的步态特点和控制需要,进行了足端轨迹规划,并对生成的足端轨迹进行了运动学仿真。 针对六足仿生机器人足端力的柔顺控制问题,分析了两种足端力的阻抗控制策略。针对本课题设计的机器人单腿,采用了基于足端位置的阻抗控制策略,并通过公式推导和控制系统仿真,分析了阻抗参数对力跟踪的影响。针对复杂环境中环境参数的不能精确得到,提出了对环境参数在线估计的阻抗控制策略,通过仿真验证了该方法可以有效的实现单腿的力柔顺。 最后,通过Adams和Matlab的联合仿真,验证了阻抗控制算法的有效性。

关键词： 力控制   自适应控制   六自由度并联平台   对接仿真  

摘要： 为实现空间航天器对接过程中的强制校正和拉近阶段过程的半物理仿真,提出了一种六自由度并联运动平台的基于位置闭环的力控制方法。针对强制校正和拉近过程中两飞行器之间连接刚度大范围变化,设计自适应力控制器解决了刚度参数时变对系统性能的影响。试验结果表明自适应柔顺力控制可以实现强制校正和拉近阶段过程的有效模拟。

关键词： 铝轮   柔顺控制   抛光   内模   力控制  

摘要： 利用主动柔顺控制抛光的优点,建立了一种主被动柔顺控制抛光模型,采用力外环-位置内环控制策略对抛光过程作用力进行控制,提出了基于内模控制的力控制器设计方法,实现了对抛光力的无静差跟踪。实验结果表明,该方法有效提高了铝合金汽车轮毂(铝轮)曲面抛光的质量和效率,验证了力控制器设计的合理性。

关键词： 步态训练机器人   弹性地面   柔顺控制   承载特性   仿真  

摘要： 步态训练机器人是一种可以帮助人模拟不同路况行走的机器人。针对机器人模拟不同弹性地面承载特性的要求,在机器人末端的竖直运动方向上引入了柔顺控制,水平运动和姿态运动方向上引入位置控制,并建立了控制系统模型。在MATLAB环境下搭建系统模型并设计了控制器。仿真结果表明,控制系统在保证水平方向位置精度和姿态角转动精度的基础上,实现了机器人末端在竖直运动方向上对不同弹性地面承载特性的模拟。

关键词： 月面巡视探测器   轮地交互   运动控制   月球车   移动机器人   几何接触角  

摘要： 月球车是移动机器人研究中的前沿课题之一。如何考虑环境地形对机器人移动性的影响，如何提高移动机器人在复杂地形中的移动能力，使机器人保持高移动性的同时，又能主动维护自身安全，这是移动机器人移动性研究中的共性基础性问题。正如飞机飞行的基础是飞行与空气的相互作用关系，轮船航行的基础是船与海水的相互作用关系一样，月球车移动性能的基础是轮-地之间的相互作用关系。对于通常的轮式移动机器人，工作环境为室内结构化环境或室外道路环境，不论是室内结构化环境，还是室外道路环境，环境地形均为硬质地面，地形平坦，车轮在地面上进行滚动，车轮的滚动速度有效转化为车体的移动速度。而对于月球车系统，月球车的工作环境为特殊的太空环境，月球表面除了温差、低重力、宇宙辐射、月面尘埃等恶劣因素外，从机器人移动性的角度讲，环境地形是崎岖不平、松软的。相同的机器人，在硬质路面和松软路面上的移动性能和地形通过能力是截然不同的，可见机器人的移动能力不仅取决于自身机构特点和控制策略，还与环境地形具有不可分割的联系。为了适应地形不平坦等因素的影响，月球车系统通常具有较为复杂的移动机构，对于特定的月球车系统，研究月球车的移动性问题，还需要深入研究月球车的建模与控制问题，而要研究月球车的建模与控制问题，就需要考察轮-地交互关系，而考察轮-地交互关系就必须先考虑地形的物理属性。\n 地形属性可从两个方面考虑，一个是几何属性，比如地形的崎岖不平程度；另一个是物理属性，比如地形是硬质还是软质，需要考虑地形的土壤特性。根据对月球车移动性能的影响程度之不同，可从硬质与软质的角度来考察环境地形的物理属性和轮-地交互关系。地形属性的不同，不仅影响机器人的运动学问题，还涉及到机器人的动力学问题。不同的地形条件下，机器人与地形的相互接触关系不同，从而使机器人表现出不同的移动性能和地形通过能力。本文围绕研究目标和其中关键科学问题，将机器人与环境地形看成是一个相互接触、相互作用、相互联系的整体，具有整体不可分离性，从轮-地交互出发，考察机器人与环境地形之间的轮-地接触关系以及地形因素对机器人建模与控制等带来的影响，将地形分为硬质和软质情况，在硬质地形上，主要考虑地形平坦与不平坦带来哪些问题，对机器人移动造成什么影响，如何在机器人的控制中考虑地形不平坦带来的不良影响。如何对六个驱动轮进行速度协调，车轮打滑(前滑、侧滑、转向滑移)对机器人带来什么影响，车轮滑移考虑与否会有什么不同，会给机器人的建模、分析及控制带来哪些问题。当机器人在软质地形上移动时，地形的松软性质会给机器人的移动和地形通过能力带来哪些问题，如何考虑地形的土壤特性，如何从控制上解决软地形给机器人造成的不良影响。根据本文的研究内容，各章节结构安排如下：\n 第1章是“绪论”，简要介绍了论文研究背景和月面巡视探测器的基本概念及分类，对月球车国内外研究历史及现状进行了分析，进而引出了本文的研究问题。重点针对被动柔顺式月球车的建模与控制问题进行了文献综述，最后对本文的研究目标、选题意义及主要内容进行了简要叙述。\n 第2章“基于速度闭链的月球车运动学建模”考察硬质不平坦地形下机器人轮-地接触模型，引入轮-地几何接触角概念以反映地形不平坦时轮-地接触点在轮缘上位置的变化，抛弃了通常采用的车轮纯滚动假设，考虑车轮滑移(包括侧滑、侧滑以及转向滑移)，结合月球车被动柔顺式移动机构的特点，提出了一种基于速度闭链的运动学建模方法。该运动学建模方法基于轮心处的速度投影建立整体运动学模型，具有物理概念清楚、便于运动学计算的优点，为机器人进行实时运动学正反解奠定了基础。\n 第3章“轮-地几何接触角的在线估计方法”针对运动学模型中轮-地几何接触角难以直接测量的问题，提出了两种在线估计方法：误差计算法和卡尔曼滤波估计法。这两种方法均基于月球车整体运动学模型，只需要车轮内部传感器的测量信息，就可实现对轮-地几何接触角的在线估计，不需增加额外传感器，成本低廉、计算简单。\n 第4章“月球车运动状态估计及里程计计算”由于车轮滑移的影响，采用航位推算方法进行机器人状态估计以及里程计计算存在误差较大的问题，通常用于提高机器人定位和导航精度的外部传感器(如GPS、激光传感器等)无法用于月球车系统，利用机器人视觉进行里程计计算目前尚存在一定问题(如计算资源过大等)，而加速度传感器由于月球车移动速度慢而难以提供有效的测量信息，针对这一实际问题，本文提出了基于整体运动学模型的车体运动状态估计方法，并在月球车样机上对车体速度估计、航向角估计、里程计实时计算等方法进行了大量物理实验研究，实验结果验证了算法的有效性。\n 第5章“基于数值求解的地形参数实时估计”考虑松散地形下刚性轮与地形的交互建模问题，提出了一种基于Guass-Legendre数值积分和Newt

关键词： 气液联控伺服系统   柔顺力控制   鲁棒性能   工业机器人  

摘要： 气液联控伺服系统是将可压缩性小、粘度较大的液体介质引入到常规气压伺服系统中进行控制而构成的一种新型的气、液介质复合控制系统。它将气体介质“柔”的特性与液体介质“刚”的特性融为一体，既保持了气动系统所具有的快速性的优点，又具有较好的刚度。此特点对于机器人的柔顺力控制非常有利，故此本课题针对气液联控伺服系统进行了柔顺力控制的研究。\n 本文总结了气液联控伺服系统的发展背景及研究现状，以阻抗控制为气液联控系统柔顺力控制框架结构，阐述了鲁棒控制策略及其控制中的关键问题。通过对国内外相关研究的分析，确定了本文的主要研究方向。\n 为进一步提高系统性能，本文对已有的气液联控系统模型进行了研究，发现建立的系统模型非线性严重，同时开关阀由PWM数字量控制，更加剧了整个系统的非线性，于是作者提出了对整个系统进行辨识。采用频谱分析方法，得到了气液联控系统辨识后的线性模型，为下一步的鲁棒控制打好了基础。\n 内环位置控制器是影响柔顺力控制性能的关键，本文根据实际系统存在不确定性，提出了鲁棒控制方法。首先介绍了基本概念，在查阅相关文献的基础上，通过反复设计，得到控制器需要的补灵敏度函数的加权函数和灵敏度函数的加权函数，通过迭代后得到理想的鲁棒控制器，对其进行仿真研究，仿真结果表明鲁棒控制在保持了系统鲁棒性的同时，也提高了系统的稳定性。\n 最后，在已搭建的气液联控柔顺力控制系统实验台基础上，加入外界环境模拟系统，包括电阻式位移传感器和气缸。在整个系统加入稳压阀，使得气源压力变化范围由0.4MP-0.6MP变为0.4MP-0.5MP，使系统更为稳定的工作；通过对系统的仿真和实验研究证明，本文设计的实验系统和控制软件是成功的，阐述的理论和观点是正确的，设计的控制器是合理可行的。\n 论文的研究为气液联控系统进一步应用到气动工业机器人的柔顺力控制中奠定了基础。

关键词： 并联机器人   半物理仿真   柔顺控制   阻抗控制   模型参考自适应  

摘要： 空间对接半物理仿真技术是对接系统的研制和性能测试中的关键技术之一。在进行空间对接动力学模拟试验时,由于动力学基频和六自由度并联机器人频宽之间的制约关系,采用被动柔顺控制方法进行对接碰撞缓冲模拟受到了很多限制,特别是在环境情况未知或者不完全可知时,系统性能将会变差,甚至不稳定。因此采用主动柔顺控制对其进行仿真模拟显得尤为重要。 本文采用自适应阻抗柔顺控制方法对空间对接碰撞缓冲过程进行了详细分析研究。首先,对模拟系统中的主体部分6-DOF并联机器人进行了详细的运动学分析。并考虑外界环境的作用,运用凯恩法进行了多刚体动力学建模,为后续的理论分析和仿真研究奠定了基础。 然后,采用基于位置的阻抗控制方法,对碰撞缓冲单自由度模拟建模和仿真研究。设计了阻抗控制器,推导出该控制策略的稳态力误差方程,并分析出稳态力误差的影响因素,找到了阻抗参数的基本调整原则及其对控制性能的影响。建立了对称阀控制非对称缸的数学模型并进行了仿真研究,验证了理论分析的正确性。明确了阻抗控制在碰撞缓冲模拟应用中的优缺点。 其次,介绍了碰撞过程模拟系统的组成及其工作原理,并进行了控制方案的设计。针对经典阻抗控制要求对环境精确了解的不足,根据Lyapunov稳定定理设计了基于接触作用力误差状态方程的自适应阻抗控制器。巧妙地找到了Lyapunov能量函数,推出了参数的调整规律,间接地调节阻抗参数,提高了系统的对环境的适应能力和抗干扰性能。并且在多种工况下分别对两种控制器的性能进行仿真研究,证明自适应控制器性能良好。 最后,对论文理论和仿真研究有针对性地进行了相关实验,通过对实验和仿真结果的分析比较,更进一步地验证了理论分析和所得结论的正确性。

关键词： 非球面   磁流变液   力/位耦合   柔顺控制   力矩伺服  

摘要： 随着现代电子应用和光学技术的发展,非球面光学零件以其极佳的光学特性受到了研究者的广泛关注。非球面光学零件的表面精度是决定其应用价值的关键。现有的光学抛光加工是依赖于高精密器械,采用柔顺研抛的控制方式完成的。但高精密设备的价格昂贵,限制了非球面光学零件的广泛应用。为了降低非球面光学零件的加工成本,研究基于普通数控车床的非球面加工方法及工具系统,对非球面零件的精密加工和广泛应用无疑具有重要的理论意义和工程价值。 普通数控车床在机床精度不高的情况下,可以通过安装附加工具,利用柔顺控制来实现研抛精加工。当前柔顺控制的瓶颈在于力/位混合控制中的力/位强耦合:研抛工具的位姿因工位而异,研抛力的大小和工位存在着直接的关系,给控制系统的研发带来极大的困难。为了降低力/位混合控制的难度,本文提出了力/位混合控制解耦的原理和方法,即通过采用合适的力控制装置,结合数控轨迹规划保证加工过程中研抛力的方向始终与工件表面法向一致,使研抛力的大小和方向不随加工位置变化而变化,实现力/位混合控制解耦。针对这一思路,本文提出了在普通NC数控车床上安装研抛工具系统,进行非球面柔顺研抛精加工原理和方法研究。工具系统的力伺服装置是由磁流变液(MRF)阻尼器与伺服电机组合而成的。传统的力伺服器一般采用电机或者液压机构,其主要特点是力与位移相伴而生,紧密耦合在一起,无法实现对力的单独控制。本文采用的MRF力矩伺服装置可以不依赖位移而对力矩实施控制,且具有快速响应和输出力矩无级可调的特性,是柔顺研抛加工中的一种比较理想的力伺服器。 本文借助虚拟样机技术,运用运动学、动力学仿真软件ADAMS,建立了MRF阻尼器的仿真等效模型,在此基础上建立了工具系统整体虚拟样机。对研抛工具系统中的关键部件——自适应研抛头的结构进行了仿真分析与结构优化,并通过实验验证了仿真分析结果的正确性。接着,对工具系统的作业空间进行了数学建模及优化。通过对工具系统输出研抛力的稳定性仿真和实验研究发现,有必要设计控制系统以进一步提高工具系统输出稳定性。在建立系统的动力学模型的基础上,完成了控制系统的理论设计。ADAMS和MATLAB/SIMULINK联合仿真结果表明,增加控制环节后,工具系统的输出稳定性得到了有效的提高。

关键词： 惯性约束聚变   柔顺控制   力反馈   换靶  

摘要： 能源是人类生活中不可缺少的重要资源,惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion)是实现可控热核聚变的主要途径之一,在能源、国防、基础科学研究等方面有着重要意义。惯性约束聚变装置激光打靶在真空状态下进行,每次打靶后的换靶动作将对靶室真空状态产生影响,研制工作在真空条件下的换靶系统对惯性约束聚变装置提高运行效率具有重要意义。 本文分析了国内外换靶系统的发展状况,结合我国某型惯性约束聚变装置的换靶要求,研制出一套工作于真空条件下连续自动换靶装置,并对基于力反馈的自动换靶技术进行研究。 首先,在换靶系统的工作特点、系统运行流程及功能要求分析基础上,提出靶库、换靶机械手一体化研究,构建了换靶系统的总体组成。通过换靶系统各机构在空间位置的运动叠加实现了换靶系统的靶库中任意靶在工作空间内任意位置的精确定位。 其次,针对伸缩机构的刚度随着工作位置的变化而变化的特点,进行了运动学和动力学研究。通过对伸缩机构的运动学逆解、运动学正解、换靶系统工作空间的分析,为其运动控制奠定了理论基础;通过建立伸缩机构的刚柔混合模型,结合动力学计算及柔体动力学仿真,确定了影响其刚度与承载能力的主要因素,并对换靶系统进行结构优化。 然后,针对六维力传感器反馈与换靶位置构成力-位置闭环的特点,建立混合柔顺换靶控制策略。在自动换靶作业过程中,根据反馈的力信息判断出柔顺中心方向,不断调整换靶系统位姿,使之可以顺利的完成换靶作业,并实现了换靶过程微小力接触。 最后,针对自动换靶的混合柔顺控制策略设计了装配方案并编写了程序,通过换靶系统性能参数测定和自动换靶实验,实现了系统在换靶位置附近高效率、高可靠性的自动换靶,验证了换靶系统机构设计和控制策略的正确,说明了本文研制的换靶系统有很高的应用价值。