机器人控制技术-文献订阅-三峡大学图书馆

董凡

西南交通大学

摘要： 随着社会发展和技术进步,抓取机器人因其强大的功能性在各领域得到广泛应用,但是在工业自动化大幅进步的背景下,抓取机器人的控制精度要求日益提升,传统控制技术难以满足其精准化要求,精确的末端轨迹跟踪控制技术俨然成为解决问题的核心关键。因此,对抓取机器人关键技术尤其是轨迹跟踪控制技术的研究有利于改善人类生产生活水平,具有十分重要的战略意义和应用价值。本文以抓取机器人为研究平台,以机械臂末端的轨迹跟踪控制技术与视觉抓取技术的结合点为研究方向,围绕抓取机器人控制系统关键技术开展了理论推导、仿真分析、实验验证等研究工作。首先,基于现有的机器人机械本体和柔性机械手设计了一套结合视觉技术的抓取机器人控制系统,搭建了基于TwinCAT3控制器的硬件平台和基于机器人轨迹跟踪控制技术的软件平台,并对控制系统所涉及的双目视觉系统的关键技术进行了原理分析与方法阐述。其次,基于旋量理论建立了抓取机器人的运动学模型,并结合几何法和PadenKahan子问题提出了一种新型逆解算法,实现了对机器人逆运动学模型的精确求解。此外,基于拉格朗日方程和旋量思想建立了抓取机器人的动力学模型,并通过基于Mathematic和ADAMS软件的仿真实验验证了数学模型的准确性,为后续的轨迹跟踪控制算法研究提供了理论依据与模型信息。然后,针对具有高度非线性和强耦合性的多轴机械臂系统,提出了一种基于模糊自整定的鲁棒PD控制策略,引入模糊控制器替代传统PD控制的参数整定过程,实现PD参数的在线自调整功能,并设计鲁棒自适应补偿器,将鲁棒算法和自适应算法相结合以补偿系统的不确定性。通过理论推导和MATLAB数值仿真验证了此控制策略的轨迹跟踪误差收敛速度较快,提高了系统的鲁棒性和学习能力,具备应用在复杂的机械臂控制系统的可行性。最后,基于MATLAB和ADAMS软件设计了抓取机器人系统的联合仿真平台,对机器人的轨迹跟踪控制算法进行了仿真分析,并将该控制算法应用到实际抓取机器人控制系统中,通过机器人的末端定位实验和基于视觉的目标抓取实验验证了控制算法和末端抓取策略的有效性和可行性。

基于视觉伺服的磁性材料元件分拣机器人控制技术研究

王云倩

同济大学

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关键词： 分拣机器人图像处理视觉伺服图像雅克比矩阵自适应卡尔曼滤波

摘要： 随着智能制造、柔性生产不断升温，工业机器人在生产中应用日渐广泛。机器视觉与工业机器人的结合，使机器人具有更强大的功能，在多种传感器配合下，可以完成复杂产品的识别、缺陷检测、产品定位、追踪和抓取等任务。本文针对传统磁性材料元件生产中产品分拣环节存在的分拣效率低、劳动强度大等问题，以FL2-08S2C-C摄像机及FANUCM-20iA机器人为基础，研究了一种基于视觉伺服的磁性材料元件分拣机器人控制技术。通过手眼标定、图像特征提取和图像雅克比矩阵在线估计，建立基于图像的视觉伺服控制系统，完成磁性材料元件的追踪、抓取分类实验。本次研究摄像机的安装方式为“Eye-in-Hand”，其研究内容包括：　　1.根据Tsai手眼标定原理及方法完成磁性材料元件分拣机器人手眼标定实验，获得摄像机坐标系相对于机器人末端执行器坐标系的转换矩阵。　　2.设计基于磁性材料元件的图像处理流程，完成图像预处理和特征提取。图像预处理包括灰度化和平滑滤波，灰度化将彩色磁性材料元件图像转化为易于处理的灰度图像;平滑滤波可以去除图像采集过程产生的噪声。特征提取包括边缘检测、边缘补充、漫水填充、阈值分割以及查找最小外接轮廓。边缘检测及边缘补充可获取完整的磁性材料元件轮廓，漫水填充将磁性材料元件与背景分离，阈值分割能去除磁性材料元件周围阴影，查找最小外接轮廓可获得磁性材料元件的长、宽、质心坐标及磁性材料元件边缘与x轴的夹角等信息。　　3.分别采用卡尔曼滤波及Sage-Husa自适应卡尔曼滤波在线估计图像雅克比矩阵，利用Simulink仿真模块完成视觉系统仿真。通过设置不同的测量噪声协方差矩阵初始值完成对比实验。仿真结果表明，当测量噪声模型未知时，采用Sage-Husa自适应卡尔曼滤波在线估计图像雅克比矩阵具有鲁棒性好，定位精度高等优点。　　4.以FANUCM-20iA机器人为基础搭建实验平台，完成基于图像的视觉伺服控制系统实验研究。实验包括固定磁性材料元件定位实验和传送带上磁性材料元件追踪实验。实验结果表明，在噪声模型未知的实际系统中，利用Sage-Husa自适应卡尔曼滤波在线估计图像雅克比矩阵的方式可以快速准确定位磁性材料元件。

《机器人控制技术》课程教学研究

张瑞姜明刘学良赵洋

东莞理工学院电子工程与智能化学院

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水火弯板机器人控制及成型关键技术研究

邓桂扬

广东工业大学

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关键词： 水火弯板机器人控制外板成型线热法

摘要： 据中国工信部造船量和订单量的最新统计数据(截止到2019年1月16日):2018年年度完成的造船量为3458万吨(载重),持有的订单量为8931万吨(载重)。截至到2018年12月底中国造船规模,按三大载重吨数来计算,所占全球造船市场份额数已超过40%。上述数据表明,我国造船量为世界第一位。船体的外板加工制造在造船行业中占有着举足轻重的地位,船体外板弯板加工的工时量大约为整船制造工时量的25%～35%。目前水火弯板在进行作业时主要凭借经验丰富的技师,手持热源火枪加热和水枪跟踪冷却的方式,使钢板产生塑性成型。这对弯板成型加工的效率提出了巨大挑战,迫使水火弯板加工这种纯手工的劳动密集型生产方式加速变革,提高水火弯板生产效率的问题亟待解决。因此研发出可以代替工人的自动化水火弯板机器人成型装备势在必行。本文针对目前传统手工水火弯板作业中存在的问题,课题组与广船国际共同研发出第三代水火弯板机器人智能成型装备,可代替技师进行自动作业和自动成型检测。具体的研究工作如下:1.水火弯板机器人运动控制系统设计:研究水火弯板机器人机械结构,参与设计了龙门式框架的弯板机器人成型装备,通过动力学分析建立了弯板机器人五轴动力学方程,并对成型装备各运动轴运动学控制坐标量求解;研究水火弯板机器人的控制系统方案,设计了弯板机器人电气控制系统各组成部分架构,进行了伺服电机电路驱动设计;研究弯板机器人数据转换接口,设计了测量与目标数据的输入规则和控制文件与输出接口,解决了机械轴的位置移动与火枪头方向控制问题。2.水火弯板机器人机械臂控制方法:研究水火弯板机器人机械臂系统,提出了一种带有不确定性的水火弯板机器人机械臂系统建模,并对其进行了控制器设计;针对弯板机器人机械臂系统存在输入受限约束,为防止被控系统出现抖动,结合双曲正切函数的数学特性,设计了有效解决输入约束问题的控制方法;针对弯板机器人机械臂系统存在各种未知干扰,又因其具有不确定性无法在控制方法中进行直接处理。因此本文结合自适应控制,设计一种可有效动态补偿未知不确定干扰的约束控制方法。3.船体外板水火弯板成型技术研究:研究外板成型物理性能规律,分析了弯板成型热工原理和线状加热成型机理,以及外板成型过程和成型影响因素;研究弯板成型过程模型,建立了温度场和变形场数学模型,使用ANSYS有限元分析软件进行仿真实验,揭示了温度场和变形场之间规律;研究外板成型特点与焰道策略,分析帆型、鞍型、扭型、锥型以及复杂型板的焰道布置策略及其烧板工艺参数,为专家知识库系统的构建提供数据支持;研究弯板焰道规划布置算法,提出了热线曲面展开算法和高度差焰道布置算法,实现了焰道参数估计与在线修正;研究水火弯板专家知识系统,建立了工艺参数专家知识库,建立了焰道专家推理机制,建立了加工参数专家推理机制。解决了成型装备在自动加工中的焰道自动规划和工艺参数推理问题。4.船体外板水火弯板检测技术研究:研究水火弯板测量技术,通过团队自主开发的 CAFF-GDUT(Computer Aided Formming for Guangdong University of Technology)专家系统软件进行激光扫描测量,提出了外板点云数据差值算法和目标数据提取处理;研究检测板与目标板三维曲面匹配,提出了目标板与检测板坐标系转换方法,提出了目标板数据与检测板数据相互匹配方法,提出了目标板曲面重构拟合算法;研究检测板匹配与曲面重构,建立了检测板与目标板的匹配流程,设计检测板成型肋骨线和特征点提取方法,建立了检测板数据匹配评测体系。解决了板材成型后机器自动检测的问题。最后将本文的研究成果运用到第三代水火弯板机器人智能成型装备,并对外板毛坯板材进行了现场加工测试实验。结果表明智能成型装备机器人可以按照专家系统制定的焰道和运动轨迹进行水火弯板加工,最终加工效果与软件重构图形基本一致,自动检测结果与人工一致,精度较人工更好;其焰道痕迹比人工烧板更均匀、准确、速度更快,总体提高约2.5倍的工作效率。

腹腔微创手术机器人控制系统关键技术研究

艾跃

哈尔滨工业大学

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关键词： 腹腔微创手术机器人控制系统主从控制策略精准定位力觉虚拟夹具

摘要： 微创手术机器人是机器人技术应用到微创外科手术中的创新进展,该领域是集医学、机械学、材料学、控制学、计算机图形学等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。与传统微创手术相比,采用机器人辅助微创手术一方面可以借助于机器人技术解决传统微创手术中手眼不协调、手术器械灵活性低、医生操作易疲劳等问题,提高医生进行微创手术的舒适度;另一方面,医生基于主从方式控制机械臂进行手术操作,既可以发挥医生的手术经验,同时也提高了手术的安全性。对于腹腔微创手术机器人,其控制系统直接影响着操作者的体验和手术质量,研究其控制系统及控制方法有着至关重要的意义。针对实验室自主研发的“华鹊II”腹腔微创手术机器人,对其主从控制的直觉性、精确性、安全性等关键技术进行研究,并搭建实验平台进行性能验证。通过分析腹腔微创手术机器人的性能需求和使用特点,对其控制系统的构成与实现进行设计。根据不同控制系统的结构特点,确定采用分布式运算与I/O连接的主从式控制结构。同时,为了提高实时性,设计以QNX实时操作系统为核心的控制系统。对QNX系统进行配置,同时采用多线程编程技术进行功能层级划分、设置同步机制、优先级选择、调度方式选择等操作,实现主从控制功能,并对控制系统响应时间进行验证。对腹腔微创手术机器人实现直觉的主从控制问题进行研究。根据“华鹊II”的结构特点和控制方式,建立了主从空间运动一致性映射关系,提出基于位姿分离的增量式持械臂和持镜臂主从直觉性控制算法。应用该算法实现医生手眼协调的主从操作。此外,提出一种基于单目视觉的分体式持镜臂与持械臂间相对姿态测量方法,以此来获得它们之间的姿态关系。为了对腹腔微创手术机器人进行精准定位控制,提出一种基于扩展卡尔曼滤波和人工神经网络的误差标定方法。建立距离误差模型,并剔除运动学冗余参数误差,利用卡尔曼滤波实现对几何参数误差的标定。然后利用BP神经网络方法建立机械臂关节角与残余位置误差的非线性关系,通过辨识出的几何参数和训练好的神经网络补偿末端位置误差,实现精准定位控制,从而提高主从跟踪精度。针对手术器械的更换和主从初始姿态的匹配问题,提出一种基于分步式的器械关节复位和主从初始姿态匹配控制策略,以约束器械进行相应操作时末端位置不发生变化,避免对组织等造成意外伤害;同时,还提出一种基于力觉虚拟夹具的器械运动约束方法。利用该方法,操作者可以设置不同形状的安全路径或保护区域。一旦器械偏离路径或进入保护区域,虚拟夹具就会生成反馈力来阻止或引导操作者,直到器械退回到设定的运动范围,以此提高系统的安全性。基于提出的方法设计一套完整的控制系统,并将其应用到“华鹊II”腹腔腹腔微创手术机器人系统中。验证控制系统响应时间、主从直觉性控制策略的有效性、基于虚拟夹具主从控制的有效性。此外,在误差标定与补偿后,对腹腔微创手术机器人主从跟踪性能进行验证。最后,进行活体动物试验,对整个控制系统的实时性、主从操作的直觉性、精确性和安全性进行了验证。

PVCBOT机器人控制技术入门 : 提高: 给机器人增加简单的控制功能!

梁玮 ... [等]

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