永磁变刚度柔性关节的力学分析与控制器设计

提出一种采用永磁弹簧、绳索驱动、梯形布置的拮抗式变刚度柔性机器人关节,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。所述永磁弹簧装置,在绳索提供力矩一定的情况下,增加了关节刚度变化范围,同时减小操作臂的质量与惯量。对提高柔性机器人关节的运动性能具有重要意义。对关节空间与绳索空间的映射关系进行推导并利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,进而实现关节刚度与位置解耦。以轨迹控制为目标,设计了一种双闭环解耦控制器,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果共同表明,该柔性关节在较宽刚度调整范围内,都具有较好的位置响应特性和轨迹跟踪能力。上述结构与控制方式同样也适用于多自由度并联柔性机器人关节。     

气动肌肉关节的刚度分析及变刚度运动控制

根据人腿髋关节、膝关节骨骼结构及拮抗肌肉运动发力特点,设计一种拮抗气动肌肉驱动的仿生单腿机器人;由三元素模型求单根肌肉及关节摆动下被动刚度特性,分析关节角度/刚度关系;为实现仿生腿膝关节刚度可控的角度控制,建立仿生关节关于角度/刚度的基本气压解算模型;基于计算力矩控制对非线性对象具有高度补偿线性化性,提出含力矩项补偿的改进气压解算模型。搭建仿真及样机实验平台,结果表明,含两种气压解算模型的双闭环控制算法均能较好跟随膝关节角度/刚度,含带力矩项补偿模型的双闭环控制算法对膝关节的角度/刚度控制精度优于含基本模型的双闭环控制算法。该算法适用拮抗气动肌肉关节的类人运动,可满足人机协作时可靠性、柔顺性、仿生性等要求。     

绳驱动机器人被动解耦模块的设计及验证研究

针对绳驱动关节机器人中前后关节独立运动时各关节驱动绳索的运动耦合问题,对绳索的关节耦合关系进行了研究,创新设计了一种新型绳驱动被动解耦机构。采用一种新型的绳索缠绕方式,利用解耦绳索的正反向缠绕带动随动轮以1/2的前端关节角速度运动,使以类似方式走线的两股后端关节驱动绳索在导线轮盘上分别缠绕脱落,避免后端关节驱动绳索在通过前端关节时因前端关节运动而产生绳长变化,以解决绳驱动串联机器人的绳驱关节耦合问题,并搭建了解耦模块验证实验平台,验证了设计的合理性。实验结果表明:该绳驱动被动解耦机构能够补偿前端关节运动导致的后端关节驱动绳索的绳长变化,实现运动耦合的解耦;但受制于绳索自身的弹性,解耦机构在关节换向时会存在一定的解耦误差。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

上肢康复机器人被动变刚度驱动器建模与试验

康复机器人的关节往往要求良好的变刚度特性以适应人体的柔顺性。根据上肢的关节肌肉特点,对上肢康复圆周轨迹训练中不同位置的刚度需求进行分析,并在此基础上设计了一种新型被动变刚度驱动器,其通过凸轮-滚子-簧片机构产生变化的阻力矩,从而实现上肢圆周轨迹训练过程中不同位置的刚度变化。建立了被动变刚度装置的数学模型并通过仿真和试验验证了模型的准确性和设计方案的可行性。设计的被动变刚度驱动器满足上肢康复训练过程中的刚度变化规律,结构简单且无需额外驱动与控制。     

液压驱动单元基于位置/力的阻抗控制机理分析与试验研究

液压驱动型高性能足式仿生机器人对未知、非结构环境具有很好的适应能力,为尽可能地避免其足地接触过程中的冲击和碰撞,足式机器人的关节应具有一定的动态柔顺性。针对驱动足式机器人关节运动的液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)进行研究,首先,建立其液压系统位置/力控制数学模型;其次,推导阻抗控制基本控制原理,并以液压系统作为内环控制方式,分析HDU基于位置/力的阻抗控制机理,研究该两种阻抗控制方法的控制内外环动态柔顺性串并联组成原理;最后,搭建HDU性能测试试验平台,对提出的两种阻抗控制动态柔顺性串并联组成原理进行试验验证。试验结果表明,基于位置的阻抗内环动态柔顺性为并联组成,而阻抗控制外环与位置控制内环动态柔顺性为串联组成;基于力的阻抗内环动态柔顺性为串联组成,而阻抗控制外环与力控制内环动态柔顺性为并联组成;基于力的阻抗控制响应速度大于基于位置的阻抗控制,而后者的阻抗模拟精度要优于前者。以上研究成果可为足式仿生机器人关节控制方法选取及性能优化提供理论和试验参考。     

气动肌肉驱动的康复机器人关节建模及位置模糊控制

肢体康复机器人运动速度低、位置精度要求不高,但柔顺性和安全性要求高.气动肌肉是一种新型柔性驱动器,适合于康复机器人的驱动.气动肌肉具有时滞、非线性等特点,关节位置控制难度增大.由此建立了关节模型,采用了模糊控制技术,借助MATLAB的Simulink,得到模糊控制查询表.实验表明,本控制算法较好地实现了关节位置控制.     

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算.     

气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节位置/刚度控制

仿生关节是四足仿生机器人实现灵活跳跃、奔跑等高速复杂运动的基本要素。针对现有气动肌腱驱动的仿生关节难以实现设定刚度下的高精度位置控制问题,提出一种基于模糊神经网络补偿控制的拮抗式仿生关节位置/刚度控制新方法。建立关节位置/刚度解算模型,根据关节驱动力矩及设定刚度计算气动肌腱的理论充气压力;建立关节输出刚度计算模型,根据关节输出位置及气动肌腱的实际充气压力计算仿生关节的实际输出刚度;采用由模糊神经网络补偿控制器、PID控制器和模糊神经网络辨识器构成的模糊神经网络补偿控制结构实现对仿生关节的高精度位置控制。以FESTO公司MAS型气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节为控制对象,进行关节位置/刚度控制的试验研究,对比PID控制和模糊神经网络补偿控制的位置控制精度,探究仿生关节刚度的动态响应。试验结果表明:模糊神经网络补偿控制方法的位置控制精度显著优于PID控制方法,位置控制精度由3°提高到0.6°;同时两种控制方法均能较好地跟随关节设定刚度,刚度跟踪精度均在1 N?m/rad内。     

基于传感器的直接驱动机器人动力学建模及控制

在关节上引入力矩传感器进行力矩反馈后,推导出了直接驱动机器人的简单的、线性化的、非时变的动力学模型。在此基础上,利用解耦控制法实现了直接驱动机器人的控制。考虑到力矩传感器的引入,可能会导致驱动系统的刚度下降,文中还对力矩传感器的频率特性及关节结构的设计进行了较深入地研究,研究结果表明,只要适当配置转子、关节轴、连杆的转动惯量,就能保证在安装传感器后,驱动系统的刚度基本不下降。     

自适应跑步机人机跳跃交互稳定性分析与控制

自适应跑步机是虚拟现实环境中用于人机交互的重要设备,为了丰富其应用场景,针对跳跃运动模式下的交互控制技术展开研究。针对人体跳跃落地稳定性分析问题,综合考虑下肢骨骼及关节肌肉的联合作用,提出一种变刚度弹簧倒立摆模型,实验结果显示所提模型能够有效实现质心运动过程建模及跳跃稳定域分析,稳定性判断准确率为93.0%。在此基础上,为了提升交互过程中的人体落地稳定性,提出自适应跑步机跳跃交互控制策略,仿真和实验结果表明,所提方法能够有效提升人体落地稳定性。同时,所提方法能够有效降低下肢关节扭矩,膝关节峰值扭矩由230 N/m降低到210.7 N/m,踝关节峰值扭矩由143.6 N/m降低到131 N/m,可期减小人体跳跃落地过程中的运动损伤风险。     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。     

Assembly of complex shaped objects: A stiffness control with contact localization

This paper presents a compliant control method for insertion of complex objects with concavities. The control algorithm presented here is capable of generating satisfactory compliant motion control in spite of changing contact states. During the execution of a nominal motion plan, it computes the actual position of the contact point from the force/torque sensor reading using a contact localization algorithm. It then dynamically updates the center of compliance to the computed contact point, and minimizes the chance of jamming and unwanted collisions. The control scheme has been implemented on hardware and tested on the task of inserting a T-shaped object into a C-shaped cavity with a very tight tolerance. The insertion motion, which involves a sequence of 2 translational and 1 rotational compliant motions, was successfully executed by the proposed compliant motion controller.     

面向不平地面的双足欠驱动步行稳定控制

为实现双足机器人在不平地面上的欠驱动步行,提出一种基于质心运动状态的稳定步行控制策略。考虑地面柔性,使用柔性接触模型描述“机器人足部地面”柔性接触,并通过解耦建模的方式建立了“机器人地面”前向与侧向耦合动力学模型。根据人类变速步行特征,提出基于机器人质心速度控制的步行控制策略,将三维步行解耦为前向和侧向的主从控制,通过控制质心位移实现质心速度控制,进而实现稳定步行。搭建三维欠驱动双足步行机器人样机,在地面高度变化不大于0.032 m的不平地面上成功实现了平均步行速度0.216 m/s、步幅为0.31倍腿长的欠驱动步行。试验结果表明,所提控制策略可通过质心速度控制来实现不平地面上的欠驱动稳定步行。     

基于磁流变原理的变刚度驱动方法研究

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器。基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度驱动原理。完成了用于变刚度驱动器的旋转式磁流变阻尼器的设计,获取了阻尼器的力矩值与磁动势值。基于变刚度驱动器构型和阻尼器力学特性,设计了变刚度控制流程,开发了控制程序。在此基础上,研制了旋转式磁流变阻尼器及其力学性能测试系统,获取了阻尼器的实际力学性能参数,阻尼最大力矩为18.1 N·m;建立了变刚度驱动器试验系统,完成了试验研究,分别设定刚度系数为5.0 N·m/rad, 6.0 N·m/rad, 7.0 N·m/rad时获得的实际刚度系数分别为5.1 N·m/rad, 6.2 N·m/rad, 7.1 N·m/rad。试验结果表明,所提出的方法可以较好的实现驱动器的刚度调节。     

2R耦合驱动关节动力学建模与参数辨识

围绕护理机器人的人机安全接触和轻量大负载需求,提出了一种2R耦合驱动关节构型,并解决了耦合驱动动力学建模问题,为高性能运动控制器搭建提供基础。该关节设计紧凑、负载能力强,两个伺服电机经过三级减速后,通过差动结构实现两自由度耦合输出,且表面光滑适宜与人接触。通过运动学分析了耦合驱动的原理,利用拉格朗日法建立了耦合驱动动力学模型。为解决速度零点摩擦力不连续,造成基于模型的控制器运动性能变差的问题,引入了连续可微摩擦模型,利用连续可微特性采用灰色模型提高了辨识精度。研制了机器人关节样机,进行了关节解耦、摩擦数据采集、参数辨识及轨迹跟踪等试验,结果表明所设计的耦合驱动关节可以完成周转、俯仰两个转动自由度的单独及耦合运动,并且输出扭矩与重量的比值达到了143.6 N·m/kg,可以满足轻量大负载护理需求,同时基于所建立动力学模型的运动控制可以显著提高轨迹跟踪的准确性。     

Optimal filtering and Bayesian detection for friction-based diagnostics in machines

Non-model-based diagnostic methods typically rely on measured signals that must be empirically related to process behavior or incipient faults. The difficulty in interpreting a signal that is indirectly related to the fundamental process behavior is significant. This paper presents an integrated non-model and model-based approach to detecting when process behavior varies from a proposed model. The method, which is based on nonlinear filtering combined with maximum likelihood hypothesis testing, is applicable to dynamic systems whose constitutive model is well known, and whose process inputs are poorly known. Here, the method is applied to friction estimation and diagnosis during motion control in a rotating machine. A nonlinear observer estimates friction torque in a machine from shaft angular position measurements and the known input voltage to the motor. The resulting friction torque estimate can be analyzed directly for statistical abnormalities, or it can be directly compared to friction torque outputs of an applicable friction process model in order to diagnose faults or model variations. Nonlinear estimation of friction torque provides a variable on which to apply diagnostic methods that is directly related to model variations or faults. The method is evaluated experimentally by its ability to detect normal load variations in a closed-loop controlled motor driven inertia with bearing friction and an artificially-induced external line contact. Results show an ability to detect statistically significant changes in friction characteristics induced by normal load variations over a wide range of underlying friction behaviors.