关键词： 被动柔顺性   机器人   位置/力控制   仿真  

摘要： 为了精确控制具有被动柔顺性末端执行器的平面多关节机器人,提出了一种被动关节与主动关节分离的外环位置/力串行控制策略。位置/力控制策略分析表明,基于被动柔顺性的机器人可以通过主动关节控制实现被动柔顺末端的弱控制。基于此,提出了先进行位置控制,然后保持位置不变进行力控制的串行控制策略,既实现了位置/力的独立控制,又解决了被控参数的冲突问题。基于几何法,进行了逆运动学求解。在MATLAB7.0平台上仿真研究了分度角分别为0、30°、60°与90°时的轨迹扫查情况,表明位置与力控制都能够快速收敛并满足一定的精度。在实际的系统上,进行了扫查试验,结果表明提出的控制策略是切实可行的。

关键词： parallel robot   μ synthesis   μ analysis   compliant force control   uncertainty   robust  

摘要： The application of μ theory in compliant force control system is studied. A compliant force control strategy is developed based on the inner loop position control of 6-DOF parallel robot in order to simulate the push and pull process of forcible alignment in space docking, Considering uncertainties such as parameter perturbations, model perturbations and external disturbances, etc., a robust force controller is designed using μ synthesis theory. The robust stability and robust performance are compared by analysis between the designed robust force controller and the classical force controller. The experiment results of the designed robust force controller and the classical force controller are shown. The results indicate that the designed robust force controller is of efficiency and superiority.

关键词： DLR/HIT仿人灵巧手   单手指   位置控制   柔顺控制   两指操作策略  

摘要： 具有多种感知功能仿人机器人灵巧手作为提高机器人系统作业水平和智能水平的重要工具，成为机器人领域中一个重要的研究方向。灵巧手本体的研制和多方面的控制工作是灵巧手研究的两个重要方面，本体提供了操作基础，控制对于灵巧手的操作性能具有致关重要的意义。本文结合国家“863”计划704主题项目“空间实验室舱内机器人综合服务系统仿人灵巧手的研究”，研制了达到国际领先水平的DLR/HIT仿人灵巧手，并重点进行了单手指的位置控制、柔顺控制的研究和两指协调精细操作策略的研究。\n DLR/HIT仿人灵巧手由四个相同结构的手指组成，共有13个自由度，具有多种感知、集成化和模块化、高度数字化以及可重构手掌等特点。传感器的种类及数量，对于提高灵巧手的作业水平和智能化水平具有重要意义，DLR/HIT手具有力感、位置感和温度感等多种感知功能。采用机电一体化设计思想，将机械本体与传感、驱动、传动以及电气系统等统一考虑、合理布局，实现系统的最优化设计。每个模块化的手指，作为可独立工作的小机器人集自身的驱动、传感、通讯等功能为一体。模块化的手指结构简化了灵巧手的设计过程，提高了系统的互换性，便于维护。DLR/HIT手基于FPAG/DSP结构实现了全数字化的数据采集、高速的通讯系统以及实时控制，保证了信号的质量，增强了系统的可靠性。除此硬件基础外，API函数和相关的用户程序接口等使操作者在不需要知道硬件工作原理的基础上也能操作灵巧手工作，为上层操作者提供了一个友好的试验平台。\n 灵巧手的外观，对于灵巧手的应用以及得到认可是非常关键的。在具有开放式结构的DLR/HIT灵巧手样机的基础上实现灵巧手的仿人型外观设计是本文重点研究的一个内容，包括外观的设计和样机本体的修改设计两方面工作。首先以DLR/HIT灵巧手样机作为内骨骼，进行灵巧手的外观效果设计，进而以此设计效果为目标利用三维造型软件进行灵巧手包装件的具体设计，并根据外观设计的需要，对机械本体、传感器结构等进行修改。\n 单手指控制是灵巧手控制系统的底层，其控制性能直接影响灵巧手的操作性能。单手指可以看作一个小的串联机器人，机器人的运动学和动力学理论适用于手指的研究，本文首先基于手指结构，分析了手指的运动学和动力学，为手指的控制做准备。手指的控制可以分为自由空间的位置控制和约束空间的柔顺控制。本文运用Paul提出的四次多项式轨迹插补算法和驱动器的滑模变结构控制，设计了手指的关节位置跟踪控制算法，并进而完成了笛卡尔空间的指尖位置控制。\n 当灵巧手在完成与环境接触的作业时，手指的柔顺性十分重要，阻抗控制是实现手指主动柔顺的主要方法之一，得到深入研究和广泛应用。本文以指尖六维力/力矩传感器提供的力信息和指尖位置控制为基础，实现了基于位置的笛卡尔空间的手指阻抗控制。在利用灵巧手完成某些特定的操作时，要对指尖与环境间的接触力进行控制。本文基于自适应策略，设计和实现了手指的阻抗控制的力跟踪算法，在不同刚度的环境下实现力跟踪控制。本文最后进行了关节空间阻抗控制的研究，提出和实现了可变内环PD位置器控制参数的阻抗控制策略。

关键词： 虚拟工具位   自由曲面研抛   柔顺控制   工业机器人  

摘要： 本文针对机器人研抛加工系统,研究了机器人柔顺研抛过程的控制问题。由于机器人具有良好的柔性,针对研抛加工过程的特点,开发了新型研抛工具,并对相关理论进行了推导。由机器人抓持研抛工具协调作业,易于实现机器人作业过程要求的各种位姿。研究表明,使用弹性研抛工具更便于机器人在研抛过程中的控制。 本文对机器人柔顺研抛系统进行了描述,对独立开发的弹性研抛工具各零部件组成、特点以及工作原理作了详尽的说明。通过对整个加工系统的分析,根据弹性研抛工具的特点,确定了研抛工具的加工位姿,推导了研抛工具在工件坐标系以及机器人基坐标系下的位姿矩阵,确定了二者之间的变换矩阵。针对机器人柔顺研抛系统的特点,提出了研抛虚拟工具位控制理论。本文还研究了机器人内部的指令文件格式,数控加工指令到机器人指令的转换方法,以及机器人的通信控制,建立了虚拟工件模型,开发了机器人通信软件系统。最后通过实验研究,在机器人柔顺研抛自由曲面的加工系统中验证了虚拟工具位控制理论的可行性和有效性。 课题的研究工作得到了国家自然科学基金项目(自由曲面液流悬浮超光滑加工的研究,编号50175049)的资助。

关键词： 机器人   柔顺控制   阻抗控制   模糊控制   神经网络   VRML  

摘要： 机器人主动柔顺控制是新兴智能制造中的一项关键技术。由于机器人本身的高度非线性、强耦合性以及柔顺作业任务中环境不确定性等问题的存在，使得主动柔顺控制的应用受到了极大的限制。本文应用软计算方法对机器人不确定环境下的主动柔顺控制方法进行了研究。 本文分析了柔顺控制在机械行业中的不同应用方法，利用几何图形的方法对阻抗控制的特性进行了研究，针对阻抗控制轨迹跟踪能力较弱的局限，指出了存在环境刚度和位置不确定情况下实现轨迹跟踪的途径，并在基于位置的阻抗控制基础上，给出了一种具有力跟踪目标阻抗和位置反馈的柔顺控制方法，建立了仿真模型。应用正交实验方法，建立了硬质合金旋转锉的预测力学模型，为期望力和控制参数设置、调整提供了依据。 研究了基于模糊补偿的鲁棒阻抗控制方法，设计了一个基于规则自调整的模糊补偿器，该补偿器采用了改进的规则因子自调整函数，不但考虑了系统的位置误差、误差变化，还能防止系统的过度补偿而引起的接触力大的变化。应用具有力跟踪能力的目标阻抗模型，保证了接触力的稳定性。具有自调整因子的模糊补偿器克服了控制表查询及单一控制因子等方法不能对环境变化做出自适应调整的缺点，可以自动调节控制规则适应环境的变化，对位置的不确定性进行补偿，从而使系统具有更好的性能。 研究了通过调整目标阻抗参数实现位置跟踪的方法，设计了一个基于目标阻抗模糊自调整的阻抗控制器。该控制器可以根据系统状态，自动调整目标阻抗参数，使其适应环境的变化。由于常规模糊控制器的设计依靠设计者的经验和不断的调试，给模糊控制器设计工作带来很大的困难，为此，本文应用遗传算法，对模糊控制的隶属度函数进行了优化，通过设置适应度函数不同项目的加权系数满足了机械加工中的要求。 在基于位置的阻抗控制基础上，提出了一种任务规划与执行的协调控制方法，在控制进行中，控制器可以根据目前的系统状态对预先规划

关键词： 刚-柔机械臂   主动柔顺   误差补偿  

摘要： 着重进行刚-柔机械臂主动柔顺控制系统的实验研究,在对刚-柔机械臂进行总体柔顺控制的时候,采用基于视觉反馈的位置控制和基于应变反馈的力控制相结合的开关变结构控制,我们称之为准变结构控制。在柔性机械臂进行主动跟随的控制过程中,我们引入了在线预测误差补偿的方法,以提高柔性机械臂主动柔顺的跟踪精度。

关键词： 六轴加速度传感器   动态特性   标定方法   机器人   柔顺控制   维间耦合消除  

摘要： 在非结构环境中机器人作业操作主要是采用基于传感反馈的力控制和柔顺控制方式，而目前机器人作业时不能获取足够的力传感信息是制约机器人力控制和柔顺控制水平提高的瓶颈之一。六维加速度传感器能够同时检测运动物体的三维线加速度和三维角加速度，为在机器人控制中引入加速度控制以实现真正的全力控制提供基础。\n 本学位论文研究的背景来源于国家高技术研究发展计划(863计划)项目“十二自由度力传感器及其应用基础研究”(2001AA423180)。论文的工作主要是对E膜片六轴加速度传感器静、动态特性有关问题进行深入地探讨与研究，包括六轴加速度传感器弹性体的应力应变与加速度载荷、弹性体结构尺寸关系的分析；维间耦合特性与维间耦合消除方法的分析与研究；标定方法和动力学特性分析与研究；以及六轴加速度传感器的应用研究等。在上述研究中，我们对六轴加速度传感器弹性体的应力应变特性有了较全面认识，研究成果可为六轴加速度传感器结构设计及相似形状结构弹性体的力学性能分析提供参考；对六轴加速度传感器相关特性的分析、建模与仿真实验研究，是对当前传感器测量理论与技术的一个补充；对六轴加速度传感器动态特性分析和动态维间耦合等特征的描述，为将其应用于机器人力控制和柔顺控制及后续相关研究提供了一个新的思路。另外，对六轴加速度传感器在人体运动/姿态检测方面应用的探讨性研究，为将来六轴加速度传感器应用于体育和人体健康监测领域奠定一定的基础。\n 由于目前在国内外尚未见到有类似的六轴加速度传感器产品及类似研究的报道，所以在上述研究中，我们通过艰难的分析与探索、尝试将成功应用于一般多维力传感器的分析方法应用于六轴加速度传感器，并提出一些新的方法，获得了一些有意义的结果，这些方法和成果包括：通过在传感器坐标系中沿各轴向施加恒定线/角加速度载荷，实现了对弹性体受力与边界条件的等效与简化分析；借助于圆薄板轴对称/反轴对称变形、有关矩形薄板弯曲与反对称变形弹性曲面微分方程通解形式，获得弹性体应力应变解析解、应力应变大小与弹性体结构尺寸间的关系；通过建立三维的有限元分析模型、加载及分析，获得弹性体变形特征与相关应力应变分布；提出一种以传感器直角坐标系为参考坐标系、采用施加6个相互线性独立的加速度向量，实现对六轴加速度传感器标定和获取其特征矩阵的方法；采用结构动力学有限元分析理论与方法，对六轴加速度传感器分析模型的固有振动频率、振型、振动频率与结构尺寸大小间的关系进行分析，并尝试着对传感器谐响应、瞬态响应、动态维间耦合特性进行了分析与研究；提出了一种六轴加速度传感器与机器人间实现相互校准的方法；对六轴加速度传感器应用于运动位置姿态检测的可行性进行了理论分析与探讨等。\n 本项研究虽然以E膜片六轴加速度传感器为研究对象，但研究的方法与内容对其它结构类型的多维加速度传感器同样有重要的参考价值。

关键词： 刚-柔机械臂   未知环境   控制器   主动柔顺  

摘要： 对未知环境下刚-柔机械臂主动柔顺控制进行仿真研究.利用MatlabTM提供的控制工具箱进行控制器的设计,使用SimulinkTM进行系统仿真.本文分别设计了PID控制器,H∞控制器,并对在不同控制器下的闭环系统的性能进行了比较.对刚-柔机械臂主动柔顺控制的快速定位、慢速趋近目标物体以及柔性机械臂的主动柔顺跟随运动进行了仿真研究.

关键词： 机器人   阻抗控制   神经网络   逆系统   柔顺性控制  

摘要： 本论文来源于863高技术项目《仿人机器人柔顺性控制技术研究》的子课题,研究针对手臂模型未知和动态环境下的仿人机器人手臂柔顺性控制算法,根据不同任务在线控制仿人机器人手臂的柔性是本课题的重要实现目标之一。 本文主要对传统的阻抗控制算法、自适应阻抗控制算法作了仿真研究,并对上述两种算法作了多种环境条件下的比较研究,初步总结了阻抗参数的调节规则。通过仿真研究表明,合理的调整阻抗参数在实际力控制过程中至关重要,它可以有效地减少机械手与环境接触时的冲击力。本文探讨了将阻抗控制算法与神经网络逆系统方法结合的思想,利用神经网络逆系统的解耦能力实现对机械手的线性化,然后用阻抗控制算法对解耦线性化后的机械手系统实现控制的目的。文中亦对上述基于神经网络逆系统的阻抗控制算法作了仿真研究,仿真结果表明该算法的效果较理想。 最后,利用本实验室的PA—10机器人,实现了神经网络逆系统方法对机械手原模型的解耦控制。实验表明该算法可以很好的完成机械手的轨迹跟踪任务。

关键词： 机器人   柔顺性控制   阻抗控制   神经网络   逆系统  

摘要： 提出了一种机器人柔顺性控制算法 ,在未知机器人精确数学模型的情况下 ,通过构建一个ANN二阶逆系统 ,并级联ANN与机械手 ,实现机器人位置系统的线性解耦 .在此基础上 ,针对已解耦位置系统 ,通过本文提出的基于目标阻抗的控制算法调节机器人手臂的阻抗 ,从而实现机器人的柔顺性控制 .还介绍了机器人柔顺性控制实验平台的建立与组成 .基于两杆操作手的实验结果证明该方法具有良好的解耦和位置跟踪性能 ,仿真结果表明本方法可实现有效的柔顺性控制 .