遥操作工程机器人力觉双向伺服控制系统

针对并行机构的力反馈双向液压伺服控制中所存在的反馈力冲击大及位置跟随差的问题,提出了一种以主、从手之间的力偏差作为主动端控制信号,位置偏差和力偏差形成从手控制量的改进并行型力觉反馈控制算法;结合遥操作工程机器人主从控制的特点,建立了该算法的动力学模型;搭建并分析了两自由度双向伺服控制实验系统。实验结果表明,该控制算法明显改善了主、从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点。     

遥操作机器人执行末端的力反射型变增益力反馈算法

在以遥操作工程机器人执行末端为从端的力反馈双向伺服系统中,为了使主端受力真实地反映从端执行末端叉手所受的环境力,在力反射型算法的基础上,提出了一种变增益力反馈算法。根据机器人叉手的运动模型建立叉手液压缸位移与驱动力关系的数学模型,以此调节主端的力反馈控制增益。为了验证该算法的优越性,将该算法与常用的力反射型算法进行了比较实验。实验证明,该算法在保证系统稳定性的前提下,精确地反映了机器人叉手在运动中的惯性力和阻尼力所带来的影响,操作者可以更为真实地感知机器人从手所受环境力的变化,有利于系统工作性能的提高。     

遥操纵多自由度电液伺服并联机械手力反馈控制策略

针对遥操纵并联机械手的力反馈双向伺服控制中所存在的多自由度力、位移耦合问题,提出了新的双向伺服力反馈控制策略。该控制策略将与从动机械手接触的工作阻力大小和方向通过位置空间传递给主动侧,为操作者提供与从动侧完全相同的位置空间,将操纵手柄变为实现从动侧约束的设备,从而实现从动机械手工作阻力反馈。应用阀控液压缸和力、位移传感器构成的多自由度并联主从操纵手柄,构建力反馈双向伺服控制试验系统。针对新型控制策略进行了力、位置跟随性能试验。试验结果证明了该力反馈控制策略的有效性,改善了主-从控制系统的操纵性能。     

遥操作空间机器人系统研究

阐述了具有两种基本工作方式的遥操作空间机器人系统的原理和结构。在主从方式下,根据时延大小的不同,有双向力反馈遥操作和基于图象仿真及局部自主的遥操作,使从手跟随主手完成较精细的动作;在自主方式下,能够自主地完成任务规划和避碰路径规划,把随意摆放的规则物体塔成目标结构。最后通过三个实验显示了系统的功能。     

具有临场感的主从机器人系统双边控制策略

针对主从机器人系统双边控制策略的透明性问题,利用电液比例阀控制液压缸建立了单自由度主、从机器人临场感实验系统。在力和运动的双边控制中,采用力反馈伺服型、并行型和改进并行型3种控制策略,对空载、小刚度弹性负载和大刚度弹性负载情况下的位置和力跟踪性能分别进行了实验。实验结果表明:力反馈伺服型、并行型的运动跟踪存在时间滞后,主手受力存在振动;与其他两种控制策略相比,改进并行型控制策略在小刚度和大刚度负载时具有较好的透明性。     

主从遥操作机器人系统的附加反馈力补偿方法

针对主从遥操作系统在临床微创外科手术应用过程中,主操作手的动力学特性会产生附加反馈力,从而影响操作者感知从操作手与环境交互作用的真实反馈力信息,进一步影响操作者做出正确的力控制行为,降低手术的精度、质量和安全性这一问题,提出了一种基于主操作手的附加力补偿方法,使操作者可以精准感知从操作手端的反馈力.首先,研究分析微创手术机器人系统的动力学特性,揭示主手动力学特性对力觉感知的影响规律,其次针对遥操作机器人系统的主手PHANTo M建立计及关节摩擦力的动力学模型,并采用最小二乘法对模型进行参数辨识和参数验证.在此基础上,提出了具体的附加反馈力补偿策略.最后,采用精确位置监督控制,通过遥操作实验平台,对附加反馈力补偿方法进行对比实验分析.结果表明:经过附加反馈力补偿之后,主操作手X、Y、Z 3个方向上的反馈力精度较未补偿之前分别提升3.9%、5.0%和2.1%,说明该附加反馈力补偿方法可有效地减轻主操作手的惯性力、重力和关节摩擦力对操作者感知从手端反馈力的影响.     

主从式微创手术机器人系统附加反馈力补偿策略

为消除由于主手的动力学特性所产生的附加反馈力对微创手术机器人系统透明性的影响,根据拉格朗日定理,建立了包含关节耦合摩擦力的主手(Phantom Desktop)动力学模型,并通过参数辨识实验求出了主手的相关参数;根据主手的动力学模型,提出了附加反馈力补偿策略并进行了遥操作实验。实验结果表明:本文提出的附加反馈力模型可以准确地描述真实的附加反馈力。     

异构型遥操作系统的定位与接触控制研究

与同构型机器人遥操作系统不同,在异构型机器人遥操作系统中,操作者往往对目标物的精确定位和接触力的判断不足,当从机器人接触到外部环境时缺乏良好的临场感,导致操作精度不足。针对此类问题,该文提出了一种基于机器人工作空间转换与直接力反馈结构相结合的目标物定位与接触遥操作控制方法。该方法首先将机器人的关节空间转换到工作空间,再对异构型主从机器人不同的工作空间进行映射匹配,然后在直接力反馈式的遥操作结构下与力传感器共同作用,并辅以摄像机,使得操作者可以精确地操作远端环境中的机器人,从而准确地接触到目标物及获取目标物的位置,进一步准确判断从机器人在外部环境中所接触到的物体属性。该方法借助力反馈进行目标物定位与物体属性判断,较之复杂的机器人视觉标定方法更加简单易于操作,其有效性也在搭建的异构型机器人遥操作实验平台上得到了验证。     

大刚度环境下力反馈主手自适应算法研究

针对机器人力反馈主手在大刚度环境下的稳定性和透明性下降问题,提出了一种力觉渲染与反馈的自适应算法。通过改进虚拟墙壁模型引入力的空间梯度,根据力信号随主手末端位置的变化率来自适应选取不同的控制策略,对大刚度环境下的阻抗显示力反馈主手的力觉输出进行渲染。仿真试验表明,该算法可在消除振荡、保障系统稳定的基础上,恢复输出刚度,提高系统的操作透明性。     

基于KUKA工业机器人的遥操作控制系统设计与异构主从控制方法研究

为了适应特种环境作业的需求,提出一套以KUKA工业机器人为从操作手的遥操作控制系统设计方法。通过Eth.KRLXML软件接口与主控计算机建立TCP/IP连接进行通信,实时地反馈机器人的关节角度与末端位姿等信息,同时接收并执行主控计算机的控制命令。针对异构型主从遥操作控制系统,提出一套基于相对位姿尺度变换的遥操作控制算法,将主操作手的运动信息经过相对坐标变换和尺度变换换算到KUKA机器人的末端,实现对不同大小工作空间的精确异构遥操作控制。最终所设计的遥操作控制系统和异构型尺度变换遥操作控制方法的有效性在实物抓取释放实验中得到了验证。     

Research on Master-slave Telerobot Force Telepresence Technology

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅＴｅｌｅｒｏｂｏｔＦｏｒｃｅＴｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＡＩＨｅｇａｏＣＨＥＮＷｅｉｄｏｎｇＪＩＡＧｕｏｗｕＺＨＡＯＪｉｅ（蔡鹤皋）（陈卫东）（贾国武）（赵杰）（ＲｏｂｏｔＲｅｓｅａｒｃｈ...     

基于Internet的遥机器人控制系统

为减小基于Internet的遥机器人系统中网络延时给机器人可控性带来的极大影响,基于所开发的智能运动控制器,以KLD-400机器人为被控对象搭建了一个具有力觉反馈的虚拟现实遥机器人系统,用3DS MAX＋OpenGL＋Visual C＋＋6．0完成了机器人三维图形仿真系统的设计．通过模拟仿真实现对机器人的预测控制,并对遥操作过程中控制信息的传输时延进行了补偿,提高了遥操作的可靠性和准确性．视频信息的传输采用多线程多缓冲技术,保证了视频传输的实时性,并实现了视频图像与仿真图形的融合．实验结果证明了该系统的优越性．     

灰色反馈线性化控制及其在感应电机调速中的应用

为了克服传统反馈线性化控制对模型精确化要求的缺点，提出了一种基于灰色理论的不确定
预测器。设计的灰色反馈线性化控制系统可以实现间接磁场定向感应伺服电机来跟踪速度给定。不确定预
测器可以在线调整感应伺服电机的不确定因素来适合反馈线性化控制法则。仿真结果表明，该控制方法对
感应电机具有很好的跟踪性能和鲁棒性。     

新型直动式压电电液伺服阀复合控制方法

设计了一种新型直动式压电电液伺服阀。该阀采用压电叠堆执行器作为电-机械转换器,提高了电液伺服阀的性能。并针对压电叠堆执行器固有的迟滞和蠕变非线性使得压电型电液伺服系统的输出精度降低,传统的控制方法难以得到很好的控制效果的问题。提出了基于动态Preisach模型的前馈控制和PID反馈控制的一种复合控制方法。实验结果表明,该方法能有效改善新型直动式压电电液伺服阀的输出精度。     

末端执行器压脚气动伺服控制系统设计

针对机器人自动制孔系统中末端执行器压脚作用到工件表面时产生冲击问题,提出压脚机构位置缓冲控制方法.在建立压脚机构气动非线性模型基础上,通过摩擦力模型补偿,设计一种滑模控制器,以压脚与工件之间的相对位置作为控制输入,压脚相对于执行器的位移作为控制反馈,构成压脚机构位置全闭环控制系统,实现压脚机构快速定位到工件表面,同时减小对工件表面的冲击.实验结果表明,压脚机构经过位置缓冲控制后,对工件表面冲击力减小到无缓冲控制时的2.5%.     

力觉临场感遥操作机器人(1):技术发展与现状

人机交互式机器人作为最具实用价值的特种机器人已成为当前机器人学研究的前沿和热点.临场感(Telepresence)技术是人机交互的核心.首先,回顾了力觉临场感遥操作机器人技术的产生、发展和现状,介绍了力觉临场感遥操作机器人在核领域、空间探测领域与远程医疗领域的应用情况;其次,对力觉临场感遥操作机器人的4大关键技术:传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延控制技术和虚拟预测环境建模技术等进行了综述;还介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所近20年来开展临场感遥操作机器人技术研究,以及在核探测、康复医疗领域应用的情况.通过回顾与分析,指出了力觉临场感遥操作机器人技术今后需要研究的几个重点问题.     

数控机床永磁同步直线伺服系统免疫控制

针对数控机床永磁同步直线电机(PMLSM)伺服进给系统存在的波纹推力扰动、齿槽力扰动、端部效应扰动和其他不确定性扰动的问题,应用免疫反馈系统的免疫性原理在传统PID基础上设计了一种免疫PID控制器.免疫系统在大干扰和不确定性环境中都具有很强的鲁棒性和自适应性,使伺服系统既具有快速响应和设计简单的特点,又结合了免疫控制的抗干扰特性.在M ATLAB环境下对永磁同步直线电机数控机床伺服进给系统进行仿真,结果表明,此种控制方案下的PMLSM伺服系统具有更好的控制精度、较快的响应速度和较小的超调量,抗干扰能力更强.     

H∞最优控制的PMLSM伺服系统鲁棒重复控制

永磁直线同步电动机（PMLSM）在跟踪周期性输入时,其参数变化、负载扰动和摩擦力会降低系统的伺服性能,为此设计了一种基于H_∞ 最优理论的鲁棒位移重复控制器.将重复控制器中的延迟环节看作是一个稳定的摄动Δ ₁（s）,把被控对象中包含的不确定性因素看作另一摄动Δ ₂（s）,故可将伺服系统看作是包含2个摄动的不确定系统,进而可以把鲁棒重复控制问题转化成 H_∞ 最优控制问题,使用H_∞ 最优理论同时设计了反馈控制器和重复控制器.理论推导与仿真结果表明,该方案有效提高了系统的跟踪精度和鲁棒性.