面向直接示教的机器人零力控制

提出基于力矩控制的零力控制方法应用于机器人直接示教。针对机器人连杆重力矩和关节摩擦力矩难以直接建模计算,分析机器人关节力矩与连杆自重、关节位姿、负载大小、库仑摩擦力、黏滞摩擦力等因素的关系,提出基于自测量的重力矩及摩擦力矩计算方案,并给出重力矩、摩擦力矩求解所需参数的具体测量方案。在自行研制的直流电动机驱动机器人样机上验证所研究补偿算法,力矩补偿效果明显。与现有基于位置控制的零力控制方法相比,该方法无需多维力传感器,系统简洁、成本低、示教灵活,为各类运动轨迹复杂的机器人示教开辟了新途径。     

基于动力学的协作机械臂零力拖动研究

以一种6轴协作机械臂开发平台为对象,对零力拖动示教进行研究.利用拉格朗日法及机械臂结构参数建立其本体动力学模型;将静力学中的摩擦力矩和惯性力矩加入到动力学方程之中得到协作机械臂的零力拖动模型;根据电机轴角速度关系将动力学力矩与关节PMSM电机数学模型结合,得到电机层面的力矩模型;与零力拖动模型整合得到实际应用中的零力拖...     

工业机器人动力学参数分步辨识与零力控制示教

针对复杂工况下,工业机器人直接示教柔顺性欠缺的问题,这里在传统零力控制算法中加入动力学惯性项补偿以降低示教过程的牵引力。首先,在综合考虑重力、关节摩擦和科氏力等因素的情况下,建立了一种6轴工业机器人线性动力学模型。针对该动力学模型参数辨识高维度、强非线性、多参数的特点,提出了一种分步辨识方法,此方法能有效地降低辨识方程系数矩阵维度,减少计算量。然后,根据辨识结果设计基于力矩控制的惯性项补偿零力控制器。最后,进行动力学参数辨识结果验证与直接示教实验。实验结果表明所提出的分步辨识方法结果较为精确;相比传统的零力控制算法,增加惯性项补偿的零力控制算法能使示教过程的牵引力幅值降低28.6%,显著改善示教过程的柔顺性。     

关节一体化机器人动力学与阻抗控制算法研究

针对关节一体化机器人在高速复杂运动下能保持手臂平滑运动同时具有拖曳式示教的功能问题。首先利用DH法建立了转换坐标系,得到了各关节连杆的相对关系,运用弦位迭代的算法解决了手臂运动解耦问题。其次,针对关节一体化机器人空机械手的结构特点,建立了用牛顿—欧拉法的动力学方程。再次,在分析阻抗控制原理的基础上,设计了笛卡尔空间基于力的阻抗控制结构,并在关节空间实现笛卡尔空间经典阻抗控制问题。最后在机器人实验平台,基于关节转矩反馈设计阻抗控制器,并进行阻抗控制实验,实现机器人拖曳式示教功能,验证了所设计算法的有效性。     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

基于阻抗控制的双臂机器人关节限制规避仿真研究

双臂机器人在运动过程中容易受到关节的限制,致使运动轨迹在某段时间内输出误差较大。对此,采用阻抗控制机器人手臂关节运动,并对跟踪角位移进行误差仿真。创建了双臂机器人运动模型简图,通过雅克比矩阵推导出机器人手臂逆运动学方程式。建立分层优先级任务体系结构,分析了冗余机械臂关节规避极限状态,设计了阻抗控制方法。采用Matlab软件对冗余机械臂阻抗控制效果进行仿真,并与无阻抗控制效果进行对比。结果显示:在无阻抗控制条件下,冗余机械臂在某段时间内会偏离期望运动轨迹,造成误差较大;在有阻抗控制条件下,冗余机械臂在整个运动时间内,都能很好地实现轨迹跟踪任务,输出误差较小。因此,采用阻抗设计方法,双臂机器人能够避免关节的限制,更好地完成轨迹跟踪任务,提高跟踪精度。     

具有接触力感知反馈的2R机械臂设计与控制

针对高端制造过程中机械臂与工件之间应具有接触力感知与控制要求的问题,设计一种具有接触力感知反馈的2R 机械臂(a 2R manipulator with contact force perception feedback,2RM-CFPF).首先,利用堆叠式压电陶瓷传感器设计一种具有接触力感知反馈的机械臂关节,建立关节3D模型并阐述关节结构.然后,基于所设计的关节搭建2RM-CFPF机械臂模型,探究其工作机理并推导出数学模型;结合2RM-CFPF机械臂自身特性,采用基于阻抗滑模控制的运动位置/接触力控制方法,实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制.最后,进行2RM-CFPF机械臂运动控制仿真实验,仿真实验结果表明阻抗滑模控制法能够有效实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制,满足高端制造中的接触力感知控制要求.     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

基于零力控制的机器人标定技术研究

机器人标定是提高机器人控制精度的关键技术之一,测量手段是制约其发展的重要因素。为提高控制精度和标定可操作性,针对一种6R型机器人,首先基于封闭运动链建立了双机D-H运动模型,可以更好地描述机器人不同关节的几何关系。随后,将零力控制与标定过程相结合,利用零力控制可以减小关节磨损、提高离线示教效率的优势,为关于标定方法的研究提供了可实施方案。实验结果表明,增加零力控制后的双机标定可以提高机器人的控制精度。     

冗余空间机械臂的运动学和笛卡尔阻抗控制方法

为了能让七自由度空间机械臂在空间站外壁换位行走,需要在对接的过程中能够自动控制机械臂接触力以确保其在安全的范围之内。介绍了七自由度空间机械臂的运动学计算方法,采用二次计算法求得其逆运动学解。提出了基于安装在空间机械臂末端六维力传感器反馈的笛卡尔空间阻抗控制方法,将逆运动学解转化到关节空间的位置内环进行位置控制,经Simulink仿真优化参数后在空间机械臂上进行了调试实验,结果表明,力的控制效果柔顺。     

单自由度磁悬浮微动机器人的模糊控制系统研究

提出利用电磁铁的磁力作为机器人的运动驱动,利用这种电磁力的磁悬浮微动机器人不需要任何关节,结构紧凑,运动精度高。文中介绍了一种基于DSP的单自由度磁悬浮微动机器人的结构和工作原理,研究了磁悬浮机器人的运动控制系统,包括DSP系统、控制算法、软件结构,实验证明该系统能够较好地控制机器人的运动。     

电梯导轨校准机器人力位控制研究

针对电梯导轨校准机器人校准电梯导轨时,校准精度低和校准力不可控等问题,提出一种基于改进的粒子群-模糊PD(PsoFuzzyPD)的电梯导轨校准机器人力位控制方法。首先,根据力位控制需求设计了电梯导轨校准机器人的整体控制框架;其次,设计了基于改进的粒子群-模糊PD控制器作为机器人力位控制器的内环控制器;最后,根据机器人的力控制需求设计了阻抗控制器、sigmoid函数的阻抗控制判别模块和期望力控制模块。仿真结果表明,所提方法的力控响应超调更小,震荡更少,笛卡尔空间的轨迹跟踪偏差也更小,可以有效控制导轨校准力和导轨校准精度,在电梯导轨安装领域拥有很好的推广应用价值。     

工业机械手视觉/力混合控制方案研究

对于未标定刚性环境,给出一种基于位置的视觉/力混合控制策略,实现对机械手的运动控制。在视觉引导下,机械手的末端寻找并稳定接触目标物体;当接触完全建立后,采用视觉和力同时控制机械手的运动。在任务空间内,基于边缘的刚体跟踪器把动态过程中的线性动态误差提供给局部稳定的观测器。实验和仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。     

面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法

在进行快速拆装任务时,模块化机器人既要有较高的伺服刚度与结构强度,又要对接触物体表现出一定的顺从特性,为此,提出一种面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法。分析机器人拆装时的正逆向运动学,获取末端执行器与基座间的总坐标转换形式,以及对应关节的旋转角度,调整模块力的反馈作用,令阻抗与导纳趋于动态均衡。基于机器人与外界环境间作用力,建立模块阻抗关系,推算柔顺控制规律,利用设计的自适应柔顺控制模型,取得期望控制力,令模块到达期望位置。实验测试中,使机器人模块随实验人员手部移动,跟随运动轨迹表明,其能够较好地适应手部给予的未知力,各方向上的跟随速度与作用力拟合情况以及零件实际装配结果较为优越,具备良好的控制稳定性,且满足快速拆装时的柔顺控制基本需求。     

沿任意倾斜面的机器人力/位置控制方法研究

设计了沿任意倾斜面的机器人自适应阻抗控制方法,该方法解决了接触面法向方向、环境阻尼、刚度参数未知对机器人力/位置控制的影响问题。在机器人与倾斜面碰撞接触过程中采用递归最小二乘(RLS)算法估计环境的阻尼、刚度,根据接触力矩实际值与期望值的偏差实现机器人末端期望姿态的调整;在机器人末端沿倾斜面滑动阶段,设计规则自调整的模糊控制器,根据机器人末端位移、接触力误差实时调整机器人阻抗控制模型参数,以适应环境阻尼、刚度的变化。提出的控制方法具有编程实现简单且对环境参数变化鲁棒性较强的优点,实验验证了控制方法的有效性。     

一种基于交叉耦合控制的串联机器人笛卡尔空间轨迹跟踪方法

针对串联机器人在笛卡尔空间轨迹跟踪问题,将交叉耦合策略和机器人运动学结合起来,设计了机器人在笛卡尔空间位置控制中耦合误差的一般性构建方法,进而提出了一种新型脱离动力学模型的控制算法.该算法不仅能保证单个关节的运动稳定,同时还可以保证所有的关节运动协调,使位置误差和耦合误差都收敛到零.最后,设计了基于HIT/DLR灵巧手笛卡尔空间位置控制实验,验证了该方法的有效性.     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

液压驱动单元基于力的阻抗控制系统前馈抗扰控制研究

液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器,具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后,需依靠其完成具体动作,实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化,严重影响系统性能。若HDU具备高性能基于力的阻抗控制,则可有效减小机器人在运动过程中足地接触时的碰撞力,保证机器人运动的平稳性。为提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,研究一种前馈抗扰控制(Feedforward disturbance rejection control,FDRC)。介绍HDU基于力的阻抗控制系统及其数学模型,推导其非线性状态空间表达式。针对系统的外扰动推导等价输入矩阵,设计前馈抗扰控制器,并估算伺服阀流量系数。利用HDU性能测试试验台,针对不同工况和典型信号进行试验。试验结果表明,FDRC可大幅提高HDU基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,且工况适应性良好。该控制方法可降低外扰动对液压驱动型机器人的影响,提高机器人的适应性。