基于卡尔曼算法的外骨骼运动预判与控制

在人机交互时,由于人体下肢外骨骼获取的传感器信号滞后于人体运动实际形式,从而导致外骨骼机器人无法实时跟随髋关节、膝关节的运动,出现不能提供助力的问题。设计了一种下肢外骨骼模型,在此基础上,通过力/力矩传感器来获取信号,利用基于卡尔曼滤波算法对获取到的信息进行运动预判,然后将预判信号输入到下肢外骨骼机器人模型简化后的二连杆运动学模型上,通过采用PD控制检验系统稳定性以及预判精确性。最后进行MATLAB仿真实验,结果表明:信号经过卡尔曼滤波后能够有效预判人体运动形式,外骨骼下肢摆动腿在人体运动时能够进行有效地跟随,从而弥补延时。     

基于气动肌肉驱动的下肢康复机器人设计与仿真

为实现气动肌肉在多自由度康复机器人中的应用,设计一种用于步态康复训练二自由度下肢康复辅助训练机器人,驱动器由气动肌肉和拉伸弹簧并联驱动关节以实现节能辅助行走。建立人体下肢运动学和动力学模型,并以标准CGA步态曲线作为关节输入,通过SolidWorks/Motion进行运动学仿真,验证所设计的模型符合人体下肢运动规律。针对气动肌肉伸展时存在非线性使得关节控制困难,提出了模糊自适应PID控制算法。在MATLAB/Simulink中进行仿真控制实验,仿真结果表明：相比传统PID算法,模糊PID自适应控制算法使外骨骼达到更好的跟随效果。最后通过实验平台验证了模糊PID自适应控制算法能够满足患者主动康复训练的需求。     

下肢外骨骼机器人设计及实验研究

为实现下肢残障者的运动康复,设计液压驱动的下肢外骨骼机器人机构。针对下肢外骨骼的运动跟随需求,提出一种滑模控制器,并进行了控制仿真模拟。仿真结果表明：外骨骼采用该控制算法能较好地实现位置跟踪。基于dSPACE硬件在环实时仿真系统搭建了下肢外骨骼系统,进行了空摆实验、被动跟随实验及主动跟随实验。实验结果表明：设计的下肢助力外骨骼机器人能够为穿戴者提供助力,外骨骼样机的整体稳定性较好,对穿戴者具有良好的跟踪性能与快速响应性。     

人体髋关节助力外骨骼的设计

针对半被动式助力外骨骼系统目前普遍存在的驱动机构结构复杂、控制方案繁琐的问题。根据人体髋关节运动生物力学数据,分析了人体行走过程中髋关节角度-力矩的关系特征,并据此设计了一种新型被动式外骨骼驱动机构。利用ADAMS仿真平台对虚拟样机进行了仿真实验,验证了被动式驱动系统设计方案的可行性。最后对样机进行了测试实验,结果表明:该外骨骼助力器能够实现日常运动中的助力功能。     

球型机器人自平衡运动控制算法设计与研究

球型机器人具有结构简单、适应性好等优点。为了提高球型机器人运动稳定性,提出利用LQR并结合PID对球型机器人的自平衡运动进行控制。利用SolidWorks建立球型机器人的三维模型并搭建相应的物理样机;利用雅可比矩阵及等效一级倒立摆模型求出机器人的运动学和动力学模型;建立PID运动位置控制算法和LQR运动倾角控制算法,设计相应的PID和LQR运动控制器;利用MATLAB/SIMULINK对所建立的PID及LQR控制器进行仿真并分析;利用所建的物理样机进行实验验证。结果表明:利用PID结合LQR所设计的运动控制器及其控制算法是准确的,有效地提高了机器人自平衡运动的控制精度及稳定性。     

基于DDPG的下肢康复机器人轨迹跟踪控制

针对脑卒中患者在被动训练阶段使用下肢外骨骼康复机器人的高精度轨迹跟踪控制问题，以下肢外骨骼康复机器人为研究对象，提出一种基于深度确定性策略梯度的PD控制方法。采用Vicon三维动作捕捉系统采集正常人体步行的关节角度作为期望关节角度轨迹并建立下肢外骨骼机器人的动力学模型。该方法根据每次的误差输入以及与动力学模型交互获得奖励值而动态更新自身网络参数，从而自适应输出最佳的PD参数值。仿真结果表明：相较于传统PD控制，该方法髋、膝以及踝关节的跟踪误差平均减少9.4%,误差呈收敛趋势并趋于0,说明该方法可以有效地跟踪期望关节角度轨迹并具有良好的跟踪控制精度，保证患者的康复效果。     

关节一体化机器人动力学建模与伺服系统控制

针对关节一体化双臂机器人手臂高速运动下稳定抓取和电机控制问题,文章研究了其动力学建模与伺服系统控制算法。首先,对其双臂机械结构进行了分析,总结了各个关节对机器人末端位姿的影响;简化后的动力学方程更利于实现,有效加快计算速度。其次针对简化后的模型参数采用最小二乘法辨识,最后通过仿真和系统实验,验证动力学计算结果的正确性。再次由机器人动力学和电机动力学建立关节转矩模型进行关节转矩力控制;最后讨论了交流永磁同步电机的建模和控制问题。经过验证简化后的模型一方面等效于直流电机便于设计控制器,另一方面可用于机器人关节转矩控制。     

一种新型助力携行下肢外骨骼设计及仿真

设计了一种非拟人型下肢外骨骼,主要是由座椅、髋关节、大腿部结构、膝关节、小腿部结构、踝关节和鞋子依次串联而成,采用电机驱动。对下肢外骨骼进行了自由度分配与结构分析,根据坐标变换,运用D-H法建立下肢外骨骼的运动学模型。建立了下肢外骨骼虚拟样机模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动学仿真。仿真结果验证了理论模型的合理性,为后期进一步研究外骨骼提供了依据。     

基于ADAMS的6R机器人控制模型研究

机器人的控制是机器人领域的一大难点。提出了一种机器人新的控制模型,即运用三维建模软件建立机器人的虚拟样机模型,再利用虚拟样机软件ADAMS进行动力学正、逆问题分析。为了验证模型的可靠性,将利用拉格朗日方法建立的动力学模型与利用ADAMS得到的模型进行对比,并利用ADAMS+Matlab联合仿真对机器人进行控制算法仿真。结果证明了该方案的可行性。     

仿人机器人腰部机构的动力学建模、控制与仿真

本文介绍的仿人机器人具有差动腰部机构,它除了受自身的动力学影响以外,还受到手臂和车体运动以及外力、外力矩等对腰部机构关节力矩的影响.笔者利用高效牛顿-欧拉算法完成了仿人机器人的整体建模;在不考虑各关节间耦合运动的情况下,对整体动力学模型进行适当简化,得到了腰部机构的动力学模型.简化后的动力学模型既反映了机器人车体、腰部及双臂的动力学关系,又大大地减小了计算量,易于实现基于动力学的控制算法.基于动力学模型,给出了腰部机构PD伺服轨迹跟踪控制算法,并结合计算力矩方法用于补偿腰部机构两关节受到的力矩扰动.仿真分析表明,该控制方法可以明显提高腰部机构的位置跟踪精度,并提高仿人机器人的整体作业精度.     

下肢外骨骼机器人踝关节混合柔性驱动设计与研究

为了提高人机交互的安全性、舒适性以及对复杂非结构化环境的适应能力,设计了一种基于串联弹性驱动和刚性驱动混合的新型下肢外骨骼机器人踝关节。在电机与外骨骼机器人负载之间引入线性弹簧组以实现柔性驱动,对机器人脚部触地等冲击起到缓冲减振作用。设计了碟刹装置实现刚性驱动功能,以快速精确的响应人踝关节的摆动,避免人机运动偏差。建立了踝关节的动力学模型,通过频域特性分析方法得到了踝关节在不同参数特性下的稳定性以及力跟随特性。仿真实验验证了外骨骼机器人踝关节在受到冲击时的缓冲减振特性,并且验证了模型的准确性和有效性。     

基于模糊PID的箱梁移动焊接机器人

针对结构化箱梁移动焊接作业需求,设计了一种新型六足轮腿式机器人及其控制系统。首先设计了机器人的本体结构模型;然后针对机器人模型进行了运动学分析与建模,规划了机器人的越障步态;同时为了保证机器人在直线运动过程中的稳定性,采用了模糊PID控制算法,再利用Simulink软件进行了仿真;最终搭建了实验平台进行实验测试。实验证明,基于模糊PID控制方法的轮腿式机器人的直线运动偏差相比于普通PID控制方法的更小,能够实现稳定的越障运动。     

外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析

为了提高士兵的承载能力,降低在运动过程中的能量损耗,设计了一种液压驱动的可穿戴外骨骼机器人,该外骨骼机器人下肢具有12个自由度。根据外骨骼机器人的功能和工作原理,分析了外骨骼机器人的关键部位,并设计了外骨骼机器人的各部分的尺寸。利用有限元软件ANSYS对外骨骼机器人进行建模,对下外骨骼机器人进行有限元静力学仿真,并对大腿部位进行瞬态动力学仿真。通过仿真研究分析,验证了机构设计的合理性,对外骨骼机器人的进一步研究提供了参考。     

面向狭小环境检测的柔性机器人运动建模与控制研究

针对传统刚性检测手段因其体积大、自由度低、灵活性差等缺陷,难以适应复杂狭小非结构化环境中的检测需求,且传统组装式连续体机器人存在结构复杂、运动变形差、控制精度低等问题,提出一种面向狭小环境检测应用的柔性一体化连续体机器人,并对其进行运动建模和控制方法研究。在常曲率假设下基于几何分析方法建立机器人的正逆运动学模型,构建其驱动空间、关节空间及操作空间的映射关系,并对其运动特性进行仿真分析。基于蛇形运动机制提出一种柔性连续体机器人运动控制方法,以蛇行运动模型和逆运动学为基础来控制连续体机器人的推送运动。搭建相应的物理样机平台对所建运动模型和所提控制方法进行实验验证,结果表明：所建运动模型能够较为准确地描述柔性检测机器人的弯曲运动特性,所提控制方法实现了机器人的运动控制,且控制效果和控制精度在合理范围内。     

挖掘装载机工作装置运动特性分析及控制

针对挖掘装载机多路阀阀口流量控制稳定性不够、导致整机工作效率不高的问题,建立多路阀电液比例控制系统模型,实现挖掘装载机多路阀流量智能调控。基于D-H原理实现装载工作装置运动学和动力学分析;运用MATLAB/Simulink建立装载工作装置的机电液耦合仿真模型;设计PID控制算法实现液压多路阀口流量智能控制,提高装载工作装置运动精度和控制效果。仿真结果表明:基于Simulink平台能够准确高效建立复杂系统机电液联合仿真模型,满足铲斗的平移性和装载工作装置定角度运动的要求。     

dVRK外科机器人操纵臂建模与控制

为提高dVRK外科机器人主操纵臂控制系统的快速响应性和控制实时性,开发一种基于Simulink Real-Time和实时目标机Speedgoat的外科机器人主操纵臂实时控制系统。利用D-H法建立主操纵臂坐标系并推导运动方程,通过设计和建立位置控制算法和仿真模型,设计UDP Real Time通信指令和相关应答机制,构建了"宿主机-目标机"的机器人实时控制系统。试验结果表明,系统实时准确地完成了外科机器人操纵臂的数据采集和相关控制算法验证。     

基于机器学习的人机协调操作意图感知与控制方法研究

为了实现人机协作所需要的柔顺控制,需要机器人具有一定的合作经验。通过分析人进行意图识别的方法与过程,提出一种基于机器学习识别操作者意图的方法。建立了BP神经网络模型,对机器人进行意图识别离线训练,使其具有一定的合作技能,以便在合作过程中能够根据合作者的作用力和机器人的运动特征在线估计人的意图。该方法的优势在于克服了传统方法中建立人机合作模型困难,尤其复杂多变的人体运动模型,人体阻抗参数难以估计等缺点。实验结果证明:该方法减小了合作者作用力的同时,提升了人机协作的运动同步性,机器人柔顺性得以提高。     

外骨骼关节驱动神经网络滑模力控制研究

针对外骨骼机器人液压关节驱动系统具有非线性、不确定参数等特性,导致模型建立困难以及负重时具有不确定冲击扰动的问题,基于电液伺服系统特性,建立以弹性负载为外负载的数学模型。为减小负重时冲击扰动项对力控制的影响,引入径向基（RBF）神经网络对干扰项进行补偿,设计一种基于RBF神经网络的滑模力控制策略。通过系统特性进一步验证模型可行性,并进行仿真试验对比。结果表明：与PID控制相比,所设计的控制策略响应时间更短,跟踪误差缩小70.5%;变负载工况下,所设计的控制策略具有更好的跟随能力、更强的鲁棒性能,可以满足外骨骼机器人关节驱动的力控制要求。平台试验进一步验证了仿真结果的有效性与正确性。     

新型三平移并联机器人机构的光滑滑模控制研究

有关并联机器人的研究多限于机构学、运动学和动力学方面的研究.针对一种新型三平移并联机器人机构,在根据动平台运动要求,基于运动学分析实时求得各支路主动副期望角位移,并基于动力学分析实时求得各支路主动副主要等效干扰作用的基础上,建立了控制系统模型,设计了一种新型光滑滑模控制算法,仿真实现了对各支路主动副期望运动轨迹的跟踪.仿真结果表明:所设计算法解决了传统滑模控制在数字实现时的震颤问题,且系统抗干扰能力强,对系统参数变化不敏感,具有良好的跟踪性能.其研究为进一步实现该并联机器人机构的高精度实时控制奠定了基础.     

基于遗传算法的腿轮式机器人运动姿态优化

在分析一种腿轮式机器人的运动原理的基础上,将具有12个自由度的腿轮式机器人简化为8连杆机构.利用三次多项式拟合机器人腿部髋关节和踝关节的位置轨迹,并通过动力学模型建立能量消耗表达式.然后应用遗传算法对多项式系数进行优化,获得了能量最优的运动姿态,最后对机器人的运动进行了仿真.