关键词： 机器人   遥操作   虚拟夹具约束   运动导航   力反馈   位置映射   力映射   柔顺控制   虚拟环境  

摘要： 机器人遥操作系统在科学研究和工业生产中有着广泛应用。对机器人遥操作技术的理论研究,有助于提高遥操作系统的透明性和操作便捷性。本文着重研究机器人遥操作系统的主-从端位置映射和力映射方法、基于虚拟夹具的机器人运动导航和集成虚拟环境的遥操作系统设计等方面的关键技术。 主-从机器人之间的位置映射和力映射算法直接影响系统的可行性、透明性和稳定性。为了使主机器人的运动范围最大程度地覆盖从机器人工作空间,提出了融合触觉辅助的工作空间漂移控制策略,扩展了主机器人的运动映射范围。为增强遥操作系统对不同环境的适应性,提出基于环境刚度估计的力映射函数设计方法,根据环境刚度估计值调节从端到主端的力映射函数参数。当刚度估计值小于预定义的环境刚度阈值时,定义环境为“柔软”的,采用非线性力映射方法,以提高操作者对环境刚度变化的感知。 为了辅助操作者更为精确便捷地完成遥操作任务,定义了五种不同的虚拟夹具基约束类型,及各种约束引导方向的计算方法,对不同任务下操作者的不同运动模式,在线生成虚拟夹具引导路径,为从机器人运动提供导航;针对远程作业过程中从机器人对操作对象的定位存在误差导致虚拟夹具引导方向计算不准确的问题,提出虚拟夹具引导路径的主动柔顺控制方法,根据环境作用力修正虚拟夹具引导路径,以消除虚拟夹具引导方向的计算误差。 针对虚拟夹具约束力削弱遥操作系统透明性这一问题,提出一种基于虚拟夹具约束方向力反馈的双边遥操作控制结构,通过将约束力沿虚拟夹具引导方向和约束方向进行分解的策略,消除其在虚拟夹具引导方向上的分量。通过MATLAB/Simulink模块对该控制结构进行仿真分析,验证其提高系统透明性的效果。 开发了集成虚拟环境的机器人遥操作系统。利用虚拟样机技术在系统主端建立从机器人及其工作环境的虚拟模型,对从机器人的运动进行仿真,并实时估算任务过程中的环境作用力,更新虚拟机器人及操作对象的状态,实时反馈给操作者。由于操作者与虚拟环境之间无明显时延,虚拟仿真环境能为操作者提供实时、稳定的视觉和力觉反馈,从而削弱网络时延对系统透明性的影响。

关键词： 移动作业机器人   自由曲面   研磨加工   运动控制   柔顺控制  

摘要： 针对实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标,利用移动操作机器人具有较好的操作灵活性和工作空间大的特点,本文对研磨大型自由曲面自主作业机器人机械结构及相关关键技术进行了研究。重点针对研磨大型自由曲面自主作业机器人的曲面重构与定位方法,5-TTRRT机器人运动学动力学建模、运动规划与运动控制、主被动结合的柔顺控制方式等进行了深入论述。 作者研制了一种5-TTRRT机器人沿大型自由曲面运行时,对待加工区域的曲面重构与定位方法。利用基于单目视觉加结构光的手段实现机器人工作空间内曲面三维重构技术,研制了曲面重构与定位的算法,该算法可以实现研磨机器人在一个待加工区域的三维曲面模型重构,还可以通过提取重构后曲面模型的数据与边界,获得待加工曲面在机器人坐标系中的位姿,为后续的运动规划提供定位基础。 通过对研磨机器人机械结构和运动特性的分析,利用D-H法建立了一体化运动学模型,并利用拉格朗日力学法建立动力学模型,并针对采用拉格朗日方法建立的5-TTRRT动力学模型,进行了动力学仿真,为后续运动规划及控制奠定了基础。 根据自由曲面的特征,分析了自由曲面的分片规划与分片研磨方法,阐述了对应的分片算法。分析了5-TTRRT研磨机器人的位姿与运动规划情况,提出了本文研制的机器人进行大型自由曲面研磨精加工的行切法和环切法轨迹规划内容。行切法路径规划使得研磨工具的每次切削运动表现为一个直线运动和一个转动的二维空间组合,环切法路径规划使得研磨工具的每次切削运动表现为一个直线运动、一个转动与一个摆动的三维空间组合。 根据机器人完整动力学模型,对本文的5-TTRRT机器人轨迹跟踪控制策略,构建了PD+前馈型补偿控制策略,应用滑模变结构设计了一个具有时变边界层的补偿控制律,并进行了仿真研究,结果表明了该控制策略的可行性,可作为后续基于位置阻抗控制的位置控制环部分。 分析了机器人力控制系统中的主动结构与被动结构,应用力/位置混合控制理论,采用阻抗控制将力控制和位置控制纳于一个框架之内,研究了固定目标阻抗情况下的基于位置的阻抗控制,并进行了仿真研究。随后从模拟人手工研磨的力控制角度,研究了调整目标阻抗参数的方法,设计了基于目标阻抗模糊自适应阻抗控制方法,并针对该方法进行了仿真研究,结果表明,该方法能够较好的实现环境参数已知情况下的力跟踪。 建立了5-TTRRT机器人的硬件实验系统,进行了研磨作业的实验研究。在研磨工具头不同姿态时,对研磨效果的影响因素进行了分析,并得出研磨姿态控制参数,实验结果证明了5-TTRRT机器人设计的可行性与合理性。

关键词： 仿蟹机器人   步态规划   交错等相位波形步态   自适应轨迹规划   柔顺控制  

摘要： 针对仿蟹机器人复杂地貌行走时需要解决的步行足冲击力、机体稳定性差等技术问题,在机器人步行足轨迹规划、步态方法及柔顺控制等方面开展了理论与实验研究工作。 提出了仿蟹机器人结构方案,包括：模块化关节、扁形弹性足尖结构、步行足以及躯体结构等。并从正运动学和逆运动学两方面对仿蟹机器人步行足以及机体的运动性能进行了分析和仿真。根据仿蟹机器人步行足关节角度的约束,利用搜索法求解步行足以及整机的可达工作空间。 研究了仿蟹机器人步行足末端轨迹规划问题,采用三次样条曲线对仿蟹机器人步行足末端轨迹进行了规划。提出了自适应轨迹规划原理和轨迹库的基本建立方法与其调用机制。建立了虚拟样机系统的控制系统和仿真模型,对仿蟹机器人在复杂地形情况行走进行仿真分析,证明了仿蟹机器人较强的复杂地形适应能力。 通过分析生物螃蟹的运动特点,对仿蟹机器人步行足的步序关系及步态参数进行了规划研究,提出了一种步态规划方法。依据静稳态条件,将机器人步行足依z字形分组,通过调节组内先后摆动的两步行足间的相位因子调整步序,并提出交错等相位波形步态。建立了步态参数方程,计算了步行足占空比,利用能耗比分析了相位因子与占空比变化对步态能量损耗的影响。步态仿真分析表明,随着占空比增大,能耗比值呈线性增加趋势,当占空比等于0.454,相位因子等于0.25时,躯体可以获得较高的移动速度和较好的运动稳定性,运动能量损耗最小。与双四足步态相比,机器人具有良好的行走稳定性和较低的能耗比。 提出了仿蟹机器人的柔顺控制方法。分析了步行足与环境的接触模型,采用基于位置阻抗的柔顺控制方法,建立了机器人控制策略仿真模型。仿真结果表明采用柔顺控制的机器人在行走过程中的冲击力得到了抑制,步行足末端受力能够迅速稳定,无波动现象,说明该控制方法适用于机器人的行走控制。同时,由于处于摆动相与支撑相的步行足受到的外部环境干扰不同,特别是力信号的差异对控制的影响,将模糊控制器应用到步行足单关节的位置控制中,并进行了仿真分析与实验研究。结果表明模糊控制对力参数的变化具有较强的鲁棒性,适合作关节位置控制系统的控制器。 研制仿蟹机器人实验样机,构建了测量实验平台,对仿蟹机器人复杂地形的运动性能进行了实验研究,为仿蟹机器人的深入研究奠定了基础。利用dSPACE实时仿真系统进行了仿蟹机器人步态实验,并对仿蟹机器人实验样机进行了平面运动和斜坡运动的测试。通过不同速度下的交错等相位波形步态与双四足步态的对比实验,验证了交错等相位波形步态的可行性,实验结果表明交错等相位波形步态在运动过程中,速度变化平稳,重心波动小,具有良好的运动稳定性。 通过引入柔顺控制策略解决了仿蟹机器人行走时步行足冲击力的问题,消除了冲击力对步行足的影响。通过柔顺控制实验,对系统刚度变化进行了测试,实验结果表明,在该控制策略的作用下,机器人具有良好的柔顺性,在步行足受到冲击力时能够产生良好的缓冲作用。 仿蟹机器人在行走过程中具有较高的运动稳定性,其冗余肢体结构使其能在复杂环境中仍保持稳定状态,即使个别关节出现故障仍然可以完成作业,具有较强的地形适应性。

关键词： 机械臂   柔性负载   振动抑制  

摘要： 用机械臂替代人工完成这类任务，不但可以提高效率，而且可以提高生产过程中的加工精度。在造船，航天，核工业等部门，用机器人取代人还可以大大提高安全性，这又间接产生经济上的效益。用机械臂操作柔性负载与操作刚性负载的控制方法有很大的不同。对于柔性负载，在操作过程中，弹性形变必然存在，而且在搬运加工过程中，还存在弹性振动，这必将降低系统的加工精度，严重时，甚至有可能影响系统稳定性或彻底损坏柔性部件。由于对操作柔性对象的研究刚刚处于起步阶段，而且在控制方法的研究中无论是轨迹跟踪还是振动抑制都还需要进一步研究，需要不断进行探索。

关键词： 微装配   微接触力   传感器   柔性臂建模   柔顺控制   阻抗控制   模糊神经网络   蚁群算法  

摘要： 微装配系统是微机电系统(MEMS)发展过程中必不可少的关键技术之一,在微小零件的装配、微型光学系统的组装、MEMS传感器的封装等领域发挥着重要作用。但目前微装配技术中还没有可靠的亚微牛顿(sub-μN)分辨率的接触力感知与控制方法。微装配机器人的终端执行器为柔性臂结构,体积小、质量小、结构灵活,模型极为复杂,传统的感知和控制中使用的有限维模型在微装配中不再适用,而且现有的控制方法也难以实现高精度的微装配。因此,需要研究微装配系统中微接触力的感知与控制方法,以获得微装配机器人作业的高精度和高鲁棒性,提高加工作业的可靠性和成功率。在国家自然科学基金课题《基于无穷维系统方法的微装配中力测量与控制研究》的资助下,本文在对国内外文献调研与综述的基础上,针对亚μN微接触力传感器的研发、微装配机器人柔性臂建模以及机器人柔顺控制方法进行了系统的理论研究、仿真分析以及实验研究,具体如下:\n (1)通过研究各种敏感元件的特性,选定PVDF材料作为敏感元件设计了1-D和2-D微接触力传感器结构以及信号处理电路,通过把电荷放大电路设计成高阻抗以平衡PVDF自身超高阻抗的方法,避免了接触力不变时电荷的流失,解决了PVDF传感器难以获得静态信号的问题。在传感器标定环节,由于目前没有亚μN微接触力传感器的标定方法,本文提出了一种新颖的间接标定方法,并给出了标定实验的设计。标定实验的结果证明本文设计、开发的微接触力传感器线性度良好,而且分辨率达到了0.1μN。\n (2)在微装配机器人末端执行器建模方面,考虑到PVDF薄膜的弹性在微/纳米尺寸环境中的影响无法忽略,传统建模中的舍项模型在高精度微装配中不再适用,因此在Hamilton原理的基础上,建立出微装配机器人末端执行器的高精度模型以及传感器所受的微接触力与输出电压的精确函数关系；\n (3)深入研究了机器人柔顺控制方法的分类以及研究现状,利用已经建立的微装配机器人柔性臂的高精度模型,基于阻抗控制算法设计了微装配机器人的柔顺控制器；\n (4)为了完成微接触力传感器的标定,验证柔顺控制器的性能以及完成微装配和微操作的相关实验,搭建了实验平台。并设计了3个实验测试了微接触力传感器以及阻抗控制系统的性能。实验结果表明,微接触力传感器和控制系统的精度都达到了亚μN,证明了传感器与控制器的有效性；\n (5)为了提升现有的柔顺控制方法性能,本文提出了一种新颖的基于蚁群模糊神经网络的阻抗控制方法。解决了传统模糊神经网络阻抗控制方法中代表隶属函数参数的权值在学习过程中可能陷入局部极值的问题。并通过仿真研究,分别在正弦、方波以及随机参考输入的情况下,对比现有的模糊神经网络阻抗控制方法的跟踪性能,仿真结果验证了新颖的基于蚁群模糊神经网络阻抗控制方法的优越性。\n 本文的工作为微尺度下的加工制造与装配提供了一种可行的技术方法,将促进微设备或微系统装配制造的高精度自动化加工技术水平,实现微型装备的可靠、高产量的批量制造。

关键词： 仿人机器人   落脚控制   在线运动规划   柔顺控制   模糊控制  

摘要： 研究了仿人机器人在不平整地面上的落脚控制方法.首先,给出落脚控制问题的详细描述,对落脚过程进行分析,将几种典型的足—地接触模式转化成统一的等效单点接触模式.然后,引入人类落脚控制经验,设计基于主动柔顺控制原理的模糊控制器,实现基于等效单点的接触控制,并结合在线运动规划进行了落脚控制的应用方法研究.最后,通过"VirtualBlackmann"不平整地面行走仿真实验,验证了所提方法的有效性.

关键词： 负载模拟器   电液伺服   并联六自由度   柔顺机构   尺度优化   柔顺控制   位姿同步补偿   负载力前馈补偿   分级模糊控制  

摘要： 随着国防与航空航天事业的发展,需要能输出多维广义力的加载装置,而现有负载模拟器的研究大多针对单个或多个单通道负载模拟器独立控制的形式,难以满足力/力矩协同输出的要求。本文采用电液伺服并联六自由度机构作为输出广义力的加载机构,并采用Stewart型柔顺机构实现多维缓冲吸振,从原理、优化、特性、控制以及实验等方面进行广义负载模拟器的研究,主要内容如下： 第一章,在查阅国内外相关研究文献的基础上,综述了典型负载模拟器的研究现状,并对比分析了各种多余力问题的解决方案。总结了并联六自由度机构在各个领域的应用,并对相关研究领域的发展现状进行综述。结合负载模拟器与并联机构的特点,对广义负载模拟器的评价指标进行了分析。阐述了本课题的相关研究背景、意义和主要研究内容。 第二章,介绍了广义负载模拟系统的组成,并建立了加载机构和柔顺机构的模型。建立了加载机构的动力学模型,并推导了逆动力学模型作为关节执行器动态特性分析的理论依据。建立了柔顺机构静力学模型,采用全微分法和微元法推导了刚度矩阵元素关于位姿的解析表达式;提出一种基于Newton-Raphson法的数值迭代方法,在已知广义力的情形下求解刚度矩阵,通过仿真校验了算法的实时性和准确性。 第三章,研究了Stewart型柔顺机构的加载工作空间。以加载所需广义力为约束提出了柔顺机构的工作空间指标,并设计了校验流程。以刚度有界、全局稳定和各向同性为目的,基于Rayleigh商分析设计了刚度性能指标。针对刚度矩阵非对角元非零的特点,分析并设计了耦合度评价指标。仿真分析了结构参数变化对两类指标的影响,以此设计了综合刚度性能指标。提出以综合刚度性能最优为目的,采用遗传算法对柔顺机构结构参数进行优化,并得到满意的结果。 第四章,研究了广义情形下电液负载模拟器的动态特性及其影响因素。结合并联机构逆动力学模型与电液伺服阀控缸模型推导出加载机构关节执行器的电液伺服传递函数模型,并指出影响其动态性能的各类因素。提出一种传递函数近似标准化方法,结合频域仿真分析了系统参数大范围时变对动态性能的影响趋势。研究了承载位姿扰动对输出目标量的影响。分别以力和位移为目标量比较分析了影响机理,并指导了消扰策略的设计。分析了各类多通道强耦合的形成机理,结合仿真指出了其耦合特征,为解耦设计提供了理论依据。 第五章,研究了广义负载模拟器的控制策略与算法。提出了一种广义力外环/单缸位移内环的柔顺控制策略,兼具了广义力外环的收敛性和位移内环的抗扰性能。采用承载位姿预测值进行同步补偿的方案以消除其扰动影响,仿真结果表明该方法可使系统近似工作在主动加载状态。基于结构不变性原理设计了前馈解耦补偿网络,并推广至负载力前馈补偿,仿真结果表明该方法有效消除了耦合等因素引起的负载力扰动。针对系统参数大范围非线性时变特征,设计了具备在线学习功能的分级模糊控制系统,采用SFLC调整FPID的输入变量伸缩因子,并设计专家规则根据误差状态量进行在线训练,仿真结果表明各缸位移及广义力误差逐渐收敛于零,且在各类参数大范围时变下控制系统具有良好的鲁棒性。 第六章,搭建了广义负载模拟实验平台,采用计算机分级控制系统建立了硬件在回路仿真系统。应用第五章设计的各种控制策略和算法进行了广义负载模拟的探索性实验,实验结果证明了控制器的合理性与有效性。根据现有实验条件对加载范围、加载精度以及动态性能指标进行了测量。 第七章,总结本论文的主要工作,阐述研究结论和创新点,对广义负载模拟器的后续研究作出了展望。

关键词： 多足步行机器人   柔顺控制   运动学   模块化设计  

摘要： 多足步行机器人具有较强的机动性和适应不平地面的能力,能完成多种机器人工作,已激发广大研究人员的研究兴趣,其研究具有重要的科学意义和实际应用价值。 本文在对多足步行机器人研究现状和发展趋势进行分析的基础上,提出了一种开放式的柔顺机器人控制系统的设计方法,完成了柔顺控制系统总体设计方案,组建了机器人控制系统硬件平台以及分析了机器人运动学,并对机器人进行了调试和结果处理分析。 本论文主要研究工作包括:首先研究比较了柔顺控制的基本理论,确定了力/位混合控制的理论方法,以及基于PC的开放式系统实现方法。此系统特点是模块化的设计和功能可扩展性,便于系统设计和改进;然后采用D-H方法建立机器人运动学模型,根据机器人实际关节的参数,运用变换方程求出运动学正解,同时采用代数法求出逆解。搭建系统硬件平台,并详细介绍了各模块的主要组成部分,其中重点是压力检测采集系统的组建实现力反馈。接着根据建立的硬件平台,运用面对对象的VC工具编辑友好的人机界面。最后运行调试系统,保存实验运行过程中接触力数据,运用MATLAB工具对实验结果处理分析,实验表明该系统具有良好的稳定性和较好的精度,为进一步研究奠定了基础。

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。