基于三维力反馈的仿壁虎机器人单腿运动控制

分析了仿壁虎机器人机构,建立机器人单腿的运动学模型,并通过代数法求逆解.静态标定三维力传感器并计算分析了传感器解耦矩阵,设计了力信号放大和滤波电路.建立足端黏附材料的弹簧模型,采用增量式关节运动方式,设计了足端三维力反馈控制算法.在Quanser的半实物仿真平台上验证了三维力反馈控制算法.实验表明仿壁虎机器人对足端三维力控制性能良好,三维力反馈控制算法可行,为具有力感知的仿壁虎机器人实现爬壁运动奠定了实验基础.     

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.     

基于可变遗忘因子递推最小二乘法的无传感器机器人末端接触力估计

随着人机共融生产模式的推广,人与机器人需要协作完成工作任务,在人机协作的过程中需要估计机器人末端接触力。传统的机器人末端接触力估计主要是基于外部传感器来实现的,这不仅会使机器人本体成本增加,还会使机器人的控制系统变得更加复杂。针对这个问题,研究了无外部传感器的机器人末端接触力估计算法。首先设计数字低通滤波器对机器人动力学方程进行滤波,建立不显含加速度信号的机器人动力学模型,然后将机器人末端接触力看作时变参数,采用递推最小二乘法估计末端接触力,通过动态的改变遗忘因子使算法具有更好的响应特性,达到了较好的效果。最后通过MATLAB和ADAMS联合仿真验证了算法的有效性。     

足踝关节复合运动模拟与测量

人体足踝关节复杂,其运动主要包含背伸、跖屈、内收、外展、内翻以及外翻等,建立足踝关节复合运动模型利于对人体足踝运动的正确理解和应用.结合距上关节、距下关节活动方式以及距骨形态特征,假设随距骨运动的距下关节斜行纵轴运动轨迹为球面等角螺旋线;采用球型连接和铰链连接结合,并通过构件形态设计约束足踝运动角度的方式,构建了一种新型简易的足踝关节复合运动模型;讨论了模型参数范围以及该模型模拟足踝运动特征的可行性,调整和设置模型的各项具体参数,通过动作捕捉测量足表面上点的实际运动数据,对比分析了运动仿真与测量数据的差异.结果 显示足踝复合关节的运动模型与实际测量数据吻合,说明能够通过该模型描述足踝关节的综合运动.     

单自由度四足机器人腿部机构设计与分析

针对四足机器人腿部机构的自由度多导致传动控制复杂,腿部转动惯量大导致运动性能差,关节驱动换向导致冲击能耗大等问题,基于机构综合设计了一种由曲柄摇杆机构、四边形机构复合成的单自由度连杆式机器人腿部结构.采用解析法建立了腿部机构运动学模型,为实现足端迈步运动,规划了足端轨迹,并以足端轨迹运动为优化目标,建立了优化数学模型,运用MATLAB优化得到了腿部机构尺寸.在ADAMS软件中建立了机器人虚拟样机模型,采用对角步态仿真了机器人运动特性,验证了腿部机构设计的可行性.     

基于能耗目标优化的多足爬墙机器人足力控制研究

针对多足爬墙机器人高空极限作业时需解决的能耗问题,提出了基于能耗性优化的多足爬墙机器人足力控制方法。以八足爬墙机器人为例,从机器人作业的安全性和能耗性角度描述了多足爬墙机器人的足力优化模型,实现了多足机器人的关节驱动力和足底接触力的转换,有效地减少了优化变量的数量,简化了优化的计算。通过分析多足爬墙机器人的关节驱动力约束和动力学约束,建立了机器人总电机功率与机器人运动步态及作业环境(包括攀爬角度与吸附平面的粗糙度)的关系。并综合考虑了爬墙机器人吸附安全等特殊性,对机器人的足底接触力进行优化,提高机器人对环境变化及支撑腿数量变化的适应能力,降低关节驱动电机的能耗,实现了机器人电机总能耗最小化的目标。实验仿真结果证明了所提出的控制方法简单可行。     

下肢动力外骨骼设计分析与实验

为有效解决下肢肌肉功能退化及中风偏瘫等疾病导致的老年人下肢运动功能障碍,从康复医学的角度,分析了康复运动对下肢功能障碍患者恢复的重要性,结合人体生理结构,建立了人体肌骨模型,进行了肌骨仿真分析。为了准确判断患者的运动意图,设计了3种外骨骼专用传感器。在此基础上,提出了力感知助力关节结构方案,并设计了下肢动力外骨骼整体结构,进行了人机耦合运动学仿真分析。在结构设计的基础上,设计了下肢外骨骼的硬件及电气系统。为了验证理论研究的正确性,加工了外骨骼实验样机,进行了相关实验。实验结果说明,设计的外骨骼专用传感器可以准确获取相应信号,助力关节可以提供较大的关节助力,设计的下肢动力外骨骼能够准确判断患者的运动意图,可以长时间稳定安全地进行平地行走及斜坡行走。     

窝点接触力自动测试仪数据采集系统的设计

实现了一种用于自动测量弹性臂窝点接触力的新型测试仪.主要介绍了该仪器数据采集系统的硬件和软件设计.其中硬件电路的设计包含了信号调理电路和信号采集电路,前端使用了仪用放大器调理传感器输出的微弱信号,后端使用了AVR单片机完成AD转换和数据串行传输.上位机软件主要负责仪器的运动控制、视觉测量和数据的采集和处理.软件的数据处理部分采用了Matlab6.5与VC6混合编程来实现窝点接触力的求解.     

下肢外骨骼伺服电机驱动控制方案设计

介绍了可穿戴式下肢外骨骼运动总体控制方案。针对人体髋关节和膝关节运动机理,采用了盘式伺服电机驱动二自由度下肢外骨骼模拟人体下肢摆腿运动控制技术来提高关节运动的响应性能,同时利用4个三维力传感器分别测量人大腿和小腿与外骨骼相互作用力,可用于外骨骼“人主机辅”控制模式算法设计中。在外骨骼2个关节处利用编码器获得关节角度、角速度信息既可用于外骨骼拉格朗日模型参数辨识,也可以作为反馈控制信号用于外骨骼“机主人辅”控制模式中。下位机采用LabVIEW驱动NI主控器实现信号传输与控制,上位机采用MATLAB/Simulink环境设计反馈控制算法与下位机进行实时通信,保证可穿戴式下肢外骨骼能够完成两种运动控制模式的目标,同时提高试穿员的可穿戴舒适性。     

工业机器人抛光作业的主动柔顺控制系统

针对抛光作业过程中的恒力问题,研究了工业机器人恒力抛光作业的主动柔顺控制系统。通过六维力传感器对采集到的力信号进行了滤波、重力补偿,得到抛光工具与工件间的实际接触力;采用模糊PID控制策略,控制恒力补偿装置实现柔顺位置补偿,保证抛光工具与工件间恒定的接触力,从而完成机器人对工件柔顺恒力抛光作业的要求。该方案可以满足抛光机器人对位置和力分别控制的要求。     

压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究*

以压电力传感器为核心的多分量测量系统是航空、航天等领域重要的力学测量装置。压电力传感器中晶片与电极结合面接触刚度是基础性能参数,对压电力传感器的分载效应及灵敏度,多分量测量系统的整体刚度及静、动态性能有直接影响。由于尚无对该参数的研究,导致在设计封装压电力传感器过程中缺少相应的理论依据,在使用多分量测量系统时存在标定困难等问题。针对以上问题,研究晶片与电极结合面接触刚度的影响因素,建立基于分形理论的接触刚度模型,优化了晶面表面形貌、压电材料、电极材料、预紧力等参数。在此基础上,研究接触刚度对传感器性能——刚度、灵敏度、固有频率等影响,提出一种以接触刚度为约束的晶片表面形貌优化方法。基于结构函数法,建立分形理论与实际工程测量参数的联系,通过两种压电晶体——石英与硅酸镓镧,四种电极材料——钛合金、不锈钢、黄铜、铝,试验验证了理论模型。试验表明,优化晶片表面分形参数、提高预紧力、选用弹性模量小的电极有助于提高晶片与电极接触刚度,进而提高传感器的整体刚度、灵敏度和固有频率。研究为高性能压电力传感器的设计提供了理论参考。     

基于Workbench的过盈配合设计

为了保证过盈连接的可靠性,分析影响过盈连接可靠性的各因素并对最小过盈量进行修正。采用Workbench软件分析圆盘-轴和齿轮-轴相同过盈量的接触应力大小,圆盘-轴的接触应力与理论计算结果几乎一致,但齿轮-轴的接触应力与理论计算结果相差较大,得出公式法计算的接触应力仅适用于厚壁圆筒结构。分析过盈连接件在离心力和高温作用下的接触应力与等效应力,变化趋势与理论计算推测一致。基于公式法和有限元法,考虑各因素对过盈连接的影响,提出一种求实际过盈量取值范围的方法,使得过盈连接更为可靠,为过盈连接的设计提供一种新思路。     

新型多自由度足力测试装置设计

介绍了一种新的六自由度足力测量装置的结构.首先描述了测试装置的硬件结构,然后运用坐标变换等数学工具,根据点在平面上的投影确定了移动体在空间的位移,并通过刚度矩阵,给出了该装置的数学模型及六维力向量的信息获取方法.试验结果表明,该装置方案可行,结构合理,数学模型正确,刚度矩阵的标定能满足精度要求,基本上达到了使用程度.     

机械解耦自标定并联六维力传感器设计及仿真

针对传统多维力传感器研制后均需繁冗的加载标定这一现状,提出了多维力传感器“自标定”设计理念,通过钢球滚动机械解耦,设计了一种弱耦合全压向力自标定正交并联六维力传感器结构。论证了该六维力传感器的滚动解耦原理,分析了其自标定原理。基于螺旋理论建立了该六维力传感器理想数学模型,计算得到其一阶静力影响系数矩阵。考虑分支弹性变形,基于高次超静定结构力学求解原理,对该六维力传感器进行了受力分析与仿真计算,结合数值算例论证了其自标定特性,从而为该新型六维力传感器的研制奠定基础。     

Method for six-legged robot stepping on obstacles by indirect force estimation

Adaptive gaits for legged robots often requires force sensors installed on foot-tips, however impact, temperature or humidity can affect or even damage those sensors. Efforts have been made to realize indirect force estimation on the legged robots using leg structures based on planar mechanisms. Robot Octopus III is a six-legged robot using spatial parallel mechanism(UP-2UPS) legs. This paper proposed a novel method to realize indirect force estimation on walking robot based on a spatial parallel mechanism. The direct kinematics model and the inverse kinematics model are established. The force Jacobian matrix is derived based on the kinematics model. Thus, the indirect force estimation model is established. Then, the relation between the output torques of the three motors installed on one leg to the external force exerted on the foot tip is described. Furthermore, an adaptive tripod static gait is designed. The robot alters its leg trajectory to step on obstacles by using the proposed adaptive gait. Both the indirect force estimation model and the adaptive gait are implemented and optimized in a real time control system. An experiment is carried out to validate the indirect force estimation model. The adaptive gait is tested in another experiment. Experiment results show that the robot can successfully step on a 0.2 m-high obstacle. This paper proposes a novel method to overcome obstacles for the six-legged robot using spatial parallel mechanism legs and to avoid installing the electric force sensors in harsh environment of the robot’s foot tips.     

轿车车门关闭力自动测试评价系统开发

应用力与位移传感器和计算机技术,研制了轿车车门关闭力一位移自动测量系统。该系统能够同时采集关门过程中车门的关门力和位移。实测结果表明,该测量系统结构简单、操作方便,测量精度满足实际要求。     

基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪

基于电磁超声技术,研制了一款手持式高强度螺栓轴力测量仪,具有非接触、无需打磨、无需耦合剂和实时测量的特点.设计了可同时激发横波和纵波的电磁超声探头,实现了双波法轴力测量,能够解决在役螺栓长度未知的问题;设计了基于FP GA的高频大功率脉冲发射模块和低噪声信号调理模块,实现了电磁超声探头的激励与超声信号的接收;设计了基于...     

Contact state estimation based on surface-matching in virtual assembly

Contact problems are one of the most challenging fields in virtual assembly.Information of contact states could be utilized to realize compliant motion of work pieces,to analyze the contact stress,to assist positioning parts and so on.Some methods have already been proposed to estimate contact states between objects and in most of these methods contact states between objects are simplified in order to realize real-time visual reality animation.While in virtual assembly contact states between parts are required to analyze contact stress,deformation and quality.Besides the contact state estimation method for virtual assembly should be able to handle a number of complex parts in real time.There are rarely known methods which could meet this requirement till now.In this study a contact state estimation algorithm based on surface-matching for virtual assembly is proposed.Contacts between parts are categorized into six basic types according to contact region of surfaces.Based on continuous collision detection of polyhedral models a novel contact state identification algorithm which is based on surface matching is proposed.Then contact evolution algorithm,which utilizes the extern force and contact information,is implemented to handle evolution of contact state.Finally a prototype system is developed to verify the above technologies.Experiment results reveal that contact state between parts could be estimated correctly in real time virtual assembly.The proposed contact state estimation algorithm provides a complete solution to obtain the contact state between parts in virtual assembly.Information of contact state between parts could be utilized to realize contact dynamic,contact stress analysis,assembly quality analysis,and so on.     

新型扭矩—轴向力传感器标定研究

扭矩—轴向力传感器是研究复合振动攻丝过程的重要装置。在振动攻丝机上安装扭矩和轴向力传感器,可以实现扭矩和轴向力的在线测量,对研究在振动攻丝过程中扭矩和轴向力的关系具有重要意义。为了研究新设计的扭矩—轴向力传感器的基本特性,选择了标定设备和标定方法对传感器进行静态标定和动态标定,得出传感器的静态特性和动态特性指标,为进一步设计和改造传感器结构提供理论依据。