具有力矩传感器的柔性关节的振动抑制

针对具有谐波减速器的柔性关节机器人容易产生振动的问题,设计了一种轮辐式力矩传感器,该力矩传感器安装于谐波减速器输出端和机器人臂杆之间,用于反馈机械臂反作用于关节的扭转力矩,从而能够直接获得关节的振动状态信息.基于该力矩传感器信息和计算的关节名义输出力矩,提出了一种新的振动抑制方法,在传统力矩负反馈PD控制器基础上通过增...     

考虑关节柔性的模块机器人动力学参数辨识

提出了一种基于3维运动测量系统Optotrak3020的柔性关节模块机器人动力学模型参数辨识方法.首先将机器人的动力学模型参数化为不包括刚度力矩的线性形式,避免了参数矩阵的标定问题.激励轨迹基于有限的傅里叶级数函数,采用自适应遗传算法得出了优化的傅里叶级数系数.机器人每一关节单独跟随优化激励轨迹进行运动,同时电机位置、...     

基于解耦线性化的变刚度关节动态刚度辨识

为了能够利用变刚度关节实现对机器人动态特性的调整,需要对关节的动态刚度进行有效的辨识和控制.本文首先根据机器人变刚度关节的结构特点建立了简化模型,并对其刚度输出特性表达做出假设;然后对模型中的力矩相关参数进行解耦,消除了关节刚度调节参数对力矩的影响,获取与刚度辨识相关的归一化力矩;利用泰勒展开对归一化力矩进行线性化处理,采用卡尔曼滤波器进行了系数优化,并进一步实现了对关节动态刚度的辨识.仿真中该刚度在线辨识方法可以将辨识误差控制在±2%以内,在实现动态刚度辨识的基础上研究了基于前馈的刚度闭环控制方法,通过仿真实验验证了该方法对于机器人关节刚度闭环控制是有效的.     

协作机器人关节力矩传感器的设计与研究

提高协作机器人的力交互性必须提升机器人关节力矩测量的精确性,利用谐波减速器柔轮应变设计了一种关节力矩传感器.首先分析并建立柔轮的应变模型,基于应变电测技术,研制了物理样机.其次利用傅里叶变换对关节力矩传感器的输出信号进行分析,建立了传感器力矩信号直流分量与负载力矩之间的关系.测试结果表明:研制的关节力矩传感器具有较高的...     

谐波减速器扭转模态测试技术研究

谐波减速器是工业机器人驱动关节关键单元,其传动精度、模态参数等动态特性对工业机器人控制精度、控制节拍等性能具有重要影响。扭转模态参数是评价谐波减速器动态特性的重要指标之一。针对国际标准尚无谐波减速器模态参数辨识方案的问题,本文研究谐波减速器运动自激励技术,基于最小二乘复频域法设计谐波减速器扭转模态辨识方案,最后通过实验实现对模态参数的辨识。     

变刚度关节驱动器动力学特性的分析与研究

提出了一种以板簧为弹性元件、以螺旋盘为刚度调节机构的变刚度关节驱动器,研究了该关节驱动器的刚度调节特性.建立了包括电机、同步带及谐波减速器的柔顺性和摩擦特性的动力学模型.通过位置阶跃和击球实验验证了动力学模型的正确性.研究表明变刚度关节驱动器的爆发性不仅与关节刚度有关,还与能量释放的时机有关,为提升机器人与人的交互作业的动态特性提供了理论依据.     

具有谐波减速器的机器人关节建模与动力学参数辨识

针对串联机器人,提出了一种改进的机器人关节模型,并采用该模型开展了机器人动力学建模与辨识工作。建立了机器人动力学模型,对机器人关节结构进行分析,改进了关节模型,并通过谐波减速器的输入力矩近似估计其摩擦力矩。选取傅里叶级数为激励轨迹并优化其参数,通过控制关节按照所得轨迹运动,采集并处理相关数据,并基于加权最小二乘法分别辨识机器人关节模型参数与连杆动力学参数。通过关节预测力矩对所得参数进行验证,结果表明,基于改进关节模型的机器人动力学模型精度得到明显提升。     

柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

机器人串联弹性关节驱动器的刚度控制方法

机器人关节的柔顺性在人机协作过程中具有重要作用，然而固定的关节柔性无法满足动态变化的人机协作需求，因此对机器人的关节驱动器提出了具有刚度调节能力的要求.本文采用阿基米德螺旋线平面涡卷弹簧作为机器人关节的柔性元件，并提出一种可用于具有固定刚度的串联弹性驱动器的刚度控制方法.根据关节刚度的定义，将测量得到的弹簧输出端角度用于计算弹簧的输入端转角，使得机器人关节驱动器的等效刚度可以被调整到所期望的大小.该方法以电机位置控制为内环，关节刚度控制为外环，简化了控制器设计，并实现了解耦控制.对所设计的刚度控制器进行了分析.最后在自主设计的单自由度薄型串联弹性驱动器实验平台上进行了刚度调节实验，包括刚度的双向阶跃、零刚度和正弦变化的刚度，实验结果表明关节等效刚度能准确跟踪期望值，验证了该方法的有效性.     

一种基于谐振与抗谐振特性的柔性关节参数辨识方法

为了获取柔性关节精确的物理参数,提出了一种基于系统谐振与抗谐振特性的参数辨识方法.首先建立柔性关节的数学模型,利用该模型推导柔性关节的谐振、抗谐振频率特性与待辨识参数的数学关系,然后基于此关系建立误差回归模型,设计实验采集不同负载条件下的输入与输出数据,计算得到系统的谐振、抗谐振频率及幅值,代入回归模型并基于最小二乘法求解参数.最后,通过仿真与实验将本文方法与一般的频域特性拟合方法进行对比,结果表明在含有噪声的情况下本文方法将参数辨识平均精度从75.34％提高到90.35％,方差从25.34％降低到8.07％,验证了所提方法的可行性与有效性.     

面向直接示教的机器人负载自适应零力控制

相对于基于末端多维力传感器的直接示教工业机器人,基于关节扭矩传感器信息的机器人可接触范围大,且安全性更好.但在变负载的复杂工况下,加上受到机器人自身摩擦力、重力、惯性力的影响,示教效率受到制约.为此,本文提出了一种零力控制方法.首先,引入柔性关节机械臂的动力学模型作为被控对象,并分析了该模型中电机摩擦力、惯量以及机械臂重力在直接示教过程中的影响.然后,为精确补偿机器人自身的重力,基于QR分解与最小二乘理论进行参数辨识.而且针对机器人更换末端执行器或抓取物品后模型参数发生变化的情况,提出一种变负载自适应零力控制方法.最后,在自主研发的7自由度协作型机器人平台上进行了实验.机械臂自身重力参数辨识后的模型最大计算误差在关节额定力矩的4%以内,单关节力牵引实验中通过调节零力控制参数,牵引力矩可由约13 N·m下降到约2 N·m.变负载下的机器人牵引实验中,控制器能够在10 s内更新参数.实验结果表明,在负载变化的情况下,该控制方法可帮助操作者轻松地拖拽机器人进行精准、高效的直接示教.     

受动态约束的谐波传动式可重构模块机器人分散积分滑模控制

针对受外界动态约束的谐波传动式可重构模块机器人轨迹跟踪问题, 提出一种基于关节力矩反馈的分散积分滑模控制方法. 在无力/力矩传感器且存在耦合模型不确定性的条件下即能获得良好的控制品质. 基于谐波传动模型, 仅采用位置测量数据估计关节力矩, 并建立机器人子系统动力学模型. 基于可变增益超螺旋算法(VGSTA) 设 计分散积分滑模控制器, 补偿模型不确定性并削弱控制器抖振. 采用Lyapunov 理论对系统的渐近稳定性进行了证明. 值仿真结果验证了所设计的控制器的优越性.

     

基于铭牌信息的异步电机等效电路参数辨识方法

提出了一种新的基于铭牌的异步电机等效电路参数辨识方法.通过引入杂散损耗等效电阻,建立了包含杂散损耗的电机等效电路;在用等效电路计算电机参数的基础上,结合电机的铭牌参数建立了电机等效电路参数辨识优化模型.实验中,采用粒子群优化(PSO)算法对模型求解,并确定了有效的寻优范围;实验结果表明本文所提出的方法有效地辨识出了电机等效电路参数.     

基于最优激励位姿序列的机械臂负载估计

重力补偿方法广泛地应用于由连杆与旋转机构组成的机器人系统中,更换机器人末端执行器造成了补偿模型的不确定性．针对该问题,提出了一种利用机器人关节力矩与位置信息的负载参数离线辨识方法．基于机器人静力学方法提出了2种负载参数的计算模型,并通过采集机器人在多个静态位姿条件下的关节力矩与位置信息获得负载参数的最小二乘解．进一步,本文针对机器人的辨识位姿选取问题展开研究,提出了同时保证辨识精度与辨识简便性的多目标优化问题,使用多目标粒子群优化方法获得最优辨识位姿．根据辨识后的负载参数,给出了机械臂各关节负载的重力补偿量计算方法．实验结果表明所提方法具有较高的辨识精度,负载质量的辨识误差最小值达到0.007 06 kg,最大值达到0.151 kg,负载质心位置的辨识误差最小值达到0.025 4 m,最大值达到0.122 m,验证了上述方法的可行性与有效性．     

基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计

为帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,设计了下肢康复机器人。对于该机器人的控制,采用传统系统无法柔顺控制,导致机器人运动轨迹偏离预设轨迹。针对该现象,提出了基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计。通过分析总体控制方案,设计系统硬件结构框图。采用L型二维力传感器,确定两个方向的人机交互力。使用绝对值编码器安装在各个关节处,其输出值作为髋关节、膝关节、踝关节电机的转动位置,增量编码器安装在电机轴上,测量值用来作为后期控制方法的输入参数。构建阻抗控制模型,能够调节机器人位置和速度,具有消除力误差功能。依据此力矩对参考运动轨迹进行设计,实时获取患者康复训练的跟踪、主动柔顺和接近状态信息。在柔顺训练实验测出人机交互力,通过实验结果知,在检测到人体主动力矩异常时,系统能够重新优化轨迹,具有良好柔顺控制效果。     

基于碰撞检测的护理型操作臂的安全性设计与实现

针对与人近距离交互的护理型操作臂的安全性问题,提出并实现了一种基于碰撞检测的安全性设计方法,它根据由动力学模型计算获得的参考输出力矩与力矩传感器测得的实际输出力矩间的偏差实现碰撞检测.在关节力矩传感器设计中,采用有限元分析方法来优化应变片的位置布置,并开发了高抗干扰能力的信号处理电路.根据护理型操作臂的低速特点,提出了...     

气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制

针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题,建立了一种新的气动人工肌肉等效弹簧模型及关节力和刚度模型,设计了一种双输入双输出滑模控制器,来实现对气动人工肌肉拮抗关节力与刚度的独立控制．最后,搭建了气动人工肌肉驱动的拮抗关节实验平台,在关节位置固定和开放两种状况下进行了实验研究,验证所提方法的有效性;在不同负载情况下进行了对比实验,验证所提方法的通用性．所提出的建模和控制方法综合考虑了仿生关节位置、力和刚度相对独立控制,在机器人与人或环境互相作用的场合有很好的应用前景．     

月壤力学参数在线估计算法研究

提出了一种基于Guass-Legendre数值积分法和Newton迭代法的新的月壤力学参数估计算法;首先分析行驶在月壤环境下的月球车刚性驱动轮的力/力矩情况,推导出用于力学参数的求解模型;然后采用两点Guass-Legendre数值积分法对模型进行简化;最后结合Newton迭代法和最速下降法求解非线性方程组,依据虚拟六维力/力矩传感器和其它车载传感设备的输出计算出月壤关键力学参数内摩擦角和压陷系数;仿真实验显示该方法是正确和有效的,在高噪声干扰下依然具有较高的准确度,并且该方法具有低计算复杂度,适于月球车进行在线地形参数估计。     

基于IMM的永磁电机无速度传感器技术

提出一种新颖的基于IMM算法的电机转速、转子位置观测器,用于永磁电机无速度传感器矢量控制系统的转速等参数辨识。以期削弱滑模观测器的抖动,提高模型参考自适应观测器的动态性能。该方法基于交互式多模型算法的核心思想,在永磁同步电机Id=0的双闭环电压矢量控制系统运行时缺少直接速度测量手段的情况下,用滑模观测器（SMO）和模型参考自适应观测器（MARS）对电机的即时转速、转子位置进行并行估测,计算出两组不同的SVPWM电压输入uα、uβ值,再赋予权值进行交互输出电压值。通过分析和仿真结果表明,所提出的永磁电机无速度传感器矢量控制系统的转速辨识方法具有较强的鲁棒性和令人满意的动静态性能。     

基于自适应干扰估测器的协作机器人关节速度波动抑制方法

针对协作机器人对高载荷自重比和高精度速度控制的需求,设计了基于双定子永磁同步电机和谐波减速器的关节模块,利用双定子结构提升了电机的转矩密度。为了提高关节速度控制精度,将摩擦等低频非线性因素、电机转矩波动和谐波减速器传递误差对关节速度波动的影响等效为关节系统的输入力矩干扰,并对其进行补偿以抑制关节速度波动。为提高干扰估测精度,提出一种基于双干扰估测器与自适应算法的方法。双定子电机性能测试结果表明,相较于单定子结构,本文的双定子电机转矩密度提升11%。关节速度控制实验表明,与单纯的比例-积分速度控制器相比,采用本文方法,关节的低速稳态波动误差的均方根减小约40%～60%,中、高速稳态波动误差的均方根减小约30%～40%,速度控制精度提升。