基于机械手的视觉/力混合控制研究

针对机械手对未标定的刚性环境的作用控制,给出一种基于位置的视觉和力混合控制策略。在视觉引导的阻抗控制下,机械手稳定接触目标工件;接触完全建立以后,再采用视觉和力同时控制。任务空间内的线性动态过程与标准的基于边缘的刚体跟踪器共同作用,该跟踪器把线性的误差动态提供给局部稳定观测器。实验和仿真结果证明了该方法的有效性。     

视觉功能六自由度工业机器人的研制

工业机器人研究已进入智能化阶段,用视觉传感器来实现机器人的智能化具有很多的应用场合和很好的工程可实现性。本文研制了六自由度工业机器人机械本体,基于运动控制卡模式构建了机器人控制的软、硬件系统。在此基础上,运用dsp视觉处理系统实现了视觉信息与控制系统的通讯,运用摄像头对动态目标图像信息的获取,能够实现机械手末端跟随动态目标运动。实验结果表明,机械手末端能够在工作空间内沿任意轨迹运动,并且能够实现视觉范围内动态目标的视觉随动。该视觉功能六自由度机器人的成功研制为智能化工业机器人的产品化奠定了基础。     

片状脆性材料拾放机械手控制系统设计与实现

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的制备,提出一种用于拾放片状脆性材料的五自由度机械手,并重点研究其控制系统的设计与实现.为满足膜电极制造工艺中提出的精确力/位控制、精确对位和快速拾放的控制要求,提出基于运动模式切换和力/位双闭环控制策略,基于视觉对准的视觉纠姿系统和基于速度、加速度前馈的位置控制方法.这些控制策略和方法已成功运用于片状脆性材料拾放机械手的控制系统中,控制效果良好,亦可推广到集成电路(IC)制造装备等其他领域.     

面向微装配的显微视觉伺服

将基于显微视觉伺服的机械手的装配位姿调整归结为使其末端执行器上三点运动到指定空间三点的问题.规定其中一点沿直线运动到目标位置,其余两点则以绕该点旋转的方法运动到它们对应的目标位置,避免部件的运动干涉与碰撞,并确保末端执行器始终在显微镜的视场中.以机械手的路径规划为基础,给出基于距离和角度的图像特征差的估计方法,定义并建立基于图像特征差的图像雅可比矩阵以及机械手的运动模型.提出基于图像误差与控制信号综合优化的具有图像延迟系统的最优控制算法,基于动态视觉伺服控制策略建立比例控制与最优控制综合的视觉伺服控制结构,通过一个误差开关在不同的控制器上切换,进行直线位姿调整和动态目标跟踪试验.结果表明,所研究内容正确可行,系统定位精度保持在两个像素以内,具有较好的实时性,能满足微装配性能指标的要求.     

路锥自动投收机械手轨迹规划及控制系统设计

以2自由度路锥自动投收机械手为研究对象,针对其路锥自动收放作业下的操作空间和关节空间的轨迹规划进行研究,并开展机械手控制系统的总体设计.结合实际工况控制需求,设计机械手结构并基于D-H参数法建立其运动模型.分析机械手轨迹需求,采用五次多项式函数插值法,对机械手运动轨迹进行规划,分别考虑机械手解耦控制和动态配合控制,对其末端运动轨迹的关键路径点进行设置.在Matlab环境中,以路锥自动投放为例,开展机械手轨迹规划仿真及分析,并对解耦控制和动态配合控制下机械手末端运动曲线进行对比分析.开展路锥自动投收机械手控制系统设计,并基于上述研究及仿真结果,实现对机械手运动过程控制.最后,基于实车测试平台及路锥自动投放试验,对机械手轨迹规划方法及实际工作效果进行验证.试验结果表明,提出的机械手运动轨迹规划方法及设计的控制系统,可以满足路锥自动收放的实际工作需求,取得较好效果.     

一种位置和图像相切换的视觉伺服仿真分析

视觉伺服抓取通常将相机采集的当前图像特征与期望图像特征之间的偏差作为输入信号，通过图像处理、视觉伺服策略等使机械手能够运动到期望位姿。传统的基于位置或基于图像的视觉伺服存在各自的缺点，这里在视觉伺服控制方面，结合位置视觉伺服收敛速度快以及图像视觉伺服精度高的优点，研究了基于位置和基于图像的切换视觉伺服方法。以机械手坐标系原点与期望位姿坐标系原点在世界坐标系下的距离作为视觉伺服切换的阈值，通过对切换视觉伺服方法的仿真分析，验证了该方法在前半程可以快速达到物体附近，后半程利用图像伺服可以使机械手精确到达期望位置。     

机器视觉跟踪系统开发

研究视觉跟踪系统,以三轴运动控制机床为研究平台,结合CCD相机、运动控制卡等硬件,构建了一个工业机器人视觉跟踪系统。通过混合高斯模型进行背景建模以区分动态物体和静态场景以及对动态物体的追踪;通过相机标定、阀值分割、边缘检测、形心标定进行对目标物体的识别和定位;通过上位机控制步进电机向运动控制器发射脉冲以实现三轴平台的运动,控制机械手对动态目标物体进行抓取。     

基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统

以提高机械手末端关节避障控制精准度为目的,提出一种基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统。以具有高灵敏性和主动性的控制器、伺服驱动器、无线通信器以及高网络带宽的传感监测器为硬件基础,采用机器视觉技术捕捉机械手关节动作。然后根据动力学原理建立避障位姿坐标系,代入关节动作数据计算其在坐标系中的位置。在定义控制范围的基础上,根据隶属度函数计算机械手在轨迹方向上夹角,并随机输出一个动态夹角变量。通过对变量值目标求导得出适配性最高的调节阈值,结合实际情况通过阈值调节实现精准控制。实验表明,该系统能够有效控制机械手末端关节避开障碍物达到指定目标位置,应用效果较好。     

高速制袋机智能化机械手设计

针对传统制袋机生产效率低和机械手柔性、响应速度不高的问题,提出一种高速制袋机智能化机械手。首先,在分析智能化机械手功能的基础上,设计机械手机械机构;在此基础上,研究智能化机械手控制系统,包括动作控制和夹持力控制,利用基于H∞控制理论的混合灵敏度方法设计机械手夹持力控制策略。测试结果表明,该智能化机械手具有较好的柔性,能准确、快速输出最合适的夹持力度,响应速度提高33.33%左右。     

腹腔微创手术机器人主从运动及力反馈控制

微创手术机器人一般采用主从式结构。主从操作手的力反馈技术是手术机器人研究重要的方向。基于运动学D-H模型采用位姿分离法实现了机械手逆运动快速求解。运用虚功原理的方法实现了对机械手力反馈控制。并且进行了动物软组织实验,为操作者提供临场力感觉,实现人对手术机器人的有效干预和控制。     

名优茶采摘机器人的系统设计与试验

针对名优茶采摘劳动力短缺的现状,设计了一种适用于自然环境下作业的名优茶采摘机器人。系统由采摘机械手、3P-Delta机械臂、视觉系统和主控系统构成。机器人通过深度相机获取茶蓬图像,利用深度学习和骨架法计算采摘点。从名优茶的生长特征出发,建立了机械臂采摘轨迹模型,采用Bézier曲线对茶叶采摘路径进行优化,降低了机械臂在快速运动过程中的加速度突变,提高了采摘运动的平滑性。利用虚功原理建立机械臂动力学模型,基于滑模控制设计了机械臂采摘控制策略,优化了控制算法中的指数趋近律,有效地抑制了滑模面在快速趋近时的抖振现象。实地测试结果表明,采摘机器人能够实现名优茶的采摘,采摘率和完整率分别为75.53%和54.68%,平均采摘速度为0.451颗/s。     

阻抗控制框架下基于关节力矩反馈的机器人零力控制

针对当前示教器示教过程烦琐、效率低下以及对操作者技能水平要求高等缺点,提出了一种阻抗控制框架下基于关节力矩反馈的机器人零力控制方法,适用于机械臂的直接拖动示教。该方法采用阻抗控制框架,通过设置低刚度增益的方式,无需获取精确的动力学参数便可实现良好的零力控制效果。同时,区别于基于六维力传感器的零力控制方法,该方法不仅可对机械臂末端进行拖动,还可实现在关节空间下对机械臂任意关节的拖动。最后,在自行设计搭建的机器人平台上进行拖动实验。实验结果表明,该方法鲁棒性强、性能稳定,并可实现对机械臂任意关节的零力控制。     

Simultaneous control of robot manipulator impedance and generalized force and position

Certain industrial tasks require forces to be applied to objects during task execution. Of these tasks, a subset of them may be completed successfully with only crude control over contact force. A open-loop method of force control is proposed for these applications. This method utilizes the impedance control of Hogan to achieve open-loop control over generalized contact forces and position. The net result is simultaneous control of manipulator mechanical impedance and the generalized position and the force of the robot. An algorithm is proposed which determines the manipulator generalized position inputs, the only signal available to an impedance controller, in order to generate prescribed generalized forces while in contact with fixed objects. A new approach to the establishment of the stability of impedance controls during object contact is given, utilizing the theory of singularly perturbed dynamic systems. Experimental results on a two degree-of-freedom robot confirms the validity of the approach proposed here to control contact forces in an open-loop manner.     

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。     

基于传感器的操作臂惯性参数在线识别神经网络模型

机器人惯性参数识别是机器人精确建模以及机器人控制和仿真的关键问题之一。机器人腕力传感器的接入将影响机器人系统的动力学特性 ,同时腕力传感器的输出也真实地反映了机器人的力作用和机器人末端的动力学特性。本文基于腕力传感器的输出信号 ,对在线识别机器人操作臂末端的惯性参数的方法进行了分析和研究 ,并建立了惯性参数在线识别的神经网络模型 ,网络学习后其权值即为辨识的惯性参数。     

机械手在完成粗糙表面磨削操作的力及位置混合控制

分析了机械手在粗糙表面上进行磨削操作的动力学特性，计算了保证机械手完成上述操作所需的控制力矩。通过引人运动学及动力学因子ｄｎ、Ｆｎ和Ｆｔ来识别这一变结构的动力学过程，即自由运动、碰撞和沿粗糙表面的滑动。针对这些不同的运动状态，提出了不同的控制策略，在自由运动状态，采用常用的计算力矩控制法，而在粗糙表面运动时，为了取得力及位置的混合控制，提出了一种动力学解耦的线性反馈控制法，它将原先的非线性机械手系统分解成一组解耦的线性子系统，这样就可以独立地控制机械抓手的运动位置和接触力。给出的一个机械手完成磨削过程的算例验证了本文算法的有效性。     

机械手鲁棒自适应PD控制

针对工业机械手的轨迹跟踪问题,设计了一种鲁棒自适应PD控制策略,避免了初始输出力矩过大的弊端.考虑将控制器分为非线性补偿控制和PD反馈控制两部分,机械手的不确定动力学部分由回归矩阵构成的自适应控制器进行补偿,实现了对机械手的运动控制.通过计算机仿真结果验证了所提出控制策略的有效性,能够很好地跟踪期望轨迹.     

核电站多功能水下打捞机器人系统研究

在核电站中,存在辐照剂量高、结构环境复杂等问题,操作人员作业时不可避免地会受到核辐射照射,对操作人员生命安全带来极大威胁。针对上述问题,研制出作业于核环境下的核电站多功能水下打捞机器人。首先,对机器人进行运动学分析,分别求解出机械手的正逆运动学方程及奇异位形;在此基础上,考虑水阻力、附加质量力以及浮力的影响,建立了机器人的水动力学模型,对机器人复杂水下动力学问题进行描述;最后,根据理论分析研制出该机器人第3代工程样机,并通过核电站现场实验对该机器人进行实验验证。实验结果表明,核电站多功能水下打捞机器人能够快速准确的完成异物抓取作业,实现核环境下的水下异物搜索与异物打捞的设计目标。     

Image-based visual servoing control of a SCARA robot

In this paper, we present a new approach to visual feedback control using image-based visual servoing with stereo vision. In order to control the position and orientation of a robot with respect to an object, a new technique is proposed using binocular stereo vision. The stereo vision enables us to calculate an exact image Jacobian not only around a desired location but also at other locations. The suggested technique can guide a robot manipulator to the desired location without providing a priori knowledge such as the relative distance to the desired location or the model of an object even when the initial positioning error is large. This paper describes a model of stereo vision and how to generate feedback commands. The performance of the proposed visual servoing system is illustrated by experimental results and compared with conventional control methods for an assembly robot.