力反馈主操作手附加力的补偿策略研究

针对力反馈主操作手的连杆重力、关节摩擦力以及惯性力影响医生真实感知反馈力信息的问题,建立了一套完整的动力学模型。基于力反馈主操作手动力学模型,分别建立了主操作手的重力补偿模型、摩擦力补偿模型以及惯性力补偿模型。通过力补偿控制策略来消除力反馈主操作手本身所具有的重力、关节摩擦力以及惯性力伴随关节运动对反馈作用力造成的干扰,实现了医生的真实力觉感知,从而提高了微创手术的精度。     

机器人触感装置力位解耦控制策略研究

通过将触感装置关节处的摩擦计入到系统的动力学模型中，在现有的力位补偿方法基础上分别建立摩擦力、重力、惯性力补偿模型进行附加力补偿，对于附加位移也通过建立附加位移模型进行了补偿，从而有效地提高了系统透明性及稳定性，使触感装置的控制精度更高，抗干扰能力更强。     

具有固定重力补偿的机器人控制研究

机器人控制的目的是要控制机器人末端的位置和姿态,使其可以从工作空间内的任意起始位置出发都可以到达工作空间内的期望位置。机器人系统的控制离不开对系统的动力学分析,由机器人动力学特性可知,相对于摩擦力、哥氏力、离心力,重力对机器人动态特性的影响更大,不考虑重力补偿而采用固定控制往往存在相对恒定的关节误差。通过对机器人的重力补偿使控制器输出克服重力,并对其稳定性进行分析,从而降低关节误差,达到机器人的期望位置。最后通过对机器人仿真验证重力补偿的实际效果。     

水轮机修复专用机器人关节摩擦补偿及仿真

在用于轨迹跟踪的PD加前馈控制的基础上,对影响水轮机修复机器人轨迹跟踪的两个主要关节进行了摩擦力矩补偿.采用拉格朗日力学法建立了这两个关节的动力学模型.在MATLB下比较了未加入摩擦力补偿的PD控制以及基于模型补偿的PD加前馈控制.结果表明,加入摩擦力补偿的控制方案改善了系统的跟踪性能.     

从操作手RCM机构重力补偿研究

为提高具有远程运动中心(RCM)的内窥镜手术机器人从操作手的定位精度和运动稳定性,对从操作手进行动力学等效,得出构件的等效质心位置,采用拉簧-绳轮对机械臂进行重力补偿;再根据拉格朗日方程建立从操作手RCM机构的动力学模型,采用计算力矩法进行重力补偿.通过Adams对比分析了经重力补偿后从操作手各个关节的运动响应曲线.结果表明,重力补偿模型可有效补偿重力项.     

基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪

液压机械臂具有高度非线动力学特性,末端轨迹跟踪误差大。为此,提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-basedcontrol,MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型,动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响;位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差;前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量,提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题,采用了最小二乘参数辨识的方法,在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明,所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%,相比与传统PID控制提升了93%,显著提高了轨迹跟踪精度。     

手术机器人力感主手不完全重力平衡性能研究

结合力感主手动力学方程,分析了主手在不完全重力平衡时,不平衡力对主手力感性能的影响。给出了重力不平衡项的变化范围,以及在不影响力感精度前提下主手的质心位置变化范围,并应用Adams和Matlab软件联合仿真,对主手的透明性在完全重力平衡和不完全重力平衡两种状态下进行分析对比。结果表明:当质心在该范围内时,可以减小机构惯性力,提高力感性能,同时又不会影响主手的刚度和可操作性。     

考虑力补偿的2(3PUS+S)并联机器人主动关节同步控制

在并联机器人基于关节空间的控制中,运动控制精度不仅受结构误差及运动副摩擦的影响,由于闭链结构特点,还受主动支链的耦合及运动协调性的影响。以一种2(3PUS+S)并联机器人为研究对象,在前期误差及摩擦补偿研究的基础上,开展主动关节的同步控制研究。通过建立基于关节空间的动力学模型确定主动关节由于惯量耦合引起的耦合力,以主动支链间的运动协调性为约束定义同步误差,并基于增广PD控制理论设计主动关节的同步控制策略,在进行结构误差修正的基础上以前馈补偿方式对耦合力及摩擦力进行补偿,基于控制试验验证了所设计控制策略的有效性。提出的考虑力补偿的主动关节同步控制策略对于改善并联机器人的运动控制精度具有重要作用。     

基于快速动力学辨识的机器人力/位混合控制碰撞检测研究

针对机器人力/位混合控制时发生异常碰撞所导致的安全问题,提出一种基于快速动力学辨识的碰撞检测方案。首先,建立机器人快速动力学的辨识模型,基于拉格朗日法整理出机器人关节重力矩的最简三角函数回归矩阵,运用连续摩擦模型建模关节摩擦力;然后,采用最小二乘法分别辨识出机器人关节的重力矩最简参数集和连续摩擦模型参数集;最后,为验证提出方法的有效性,设计并完成机器人快速动力学辨识和碰撞检测实验。结果表明:提出的方法能够快速有效地辨识机器人的动力学参数,可实时检测机器人位置控制方向上4 N·m,力控制方向8 N·m以上的异常碰撞,有效保障操作人员和设备的安全,具有一定的工程参考价值。     

六自由度平台动力学前馈柔顺控制研究

与串联机器人相比,六自由度平台具有刚度高、承载能力大等优点,更适合于大型工件的装配。当机器人处于对接和装配状态时,机器人末端受到来自外部环境的力和力矩作用,对机器人的柔顺控制是执行任务的基础。提出了一种基于摩擦补偿的动力学前馈柔顺控制方法,首先建立Stewart平台的动力学模型,利用库仑摩擦模型和黏性摩擦模型对伺服电动缸的摩擦力进行估计,推导出包含摩擦力矩的运动学模型。设计了一种动力学前馈柔顺控制方法,无需在关节末端安装力传感器,平台受到外力时会顺应外力作用移动。最后实验结果表明,所提出的方法是一种经济、有效、可靠的方法,可以实现六自由度平台的柔顺控制。     

3-RSR并联机器人动力学研究

该文利用雅可比矩阵建立了3-RSR并联机器人动平台惯性力、惯性力矩和重力到驱动关节的映射关系，在合理的假设基础上，运用牛顿欧拉动力学方程得到了比较精确的动力学模型。再用拉格朗日方程建立动力学模型并和前者比较，在同样假设情况下，给出数值实例，两个模型的计算结果完全一致。牛顿欧拉法比拉格朗日法减少了大量的计算，但动力学模型仍保持3-RSR并联机器人的动力学特征，用牛顿欧拉方程建立的模型作为驱动力矩控制设计的基础是可行的。     

飞行环境非惯性系下行星齿轮传动系统耦合动力学建模及其动态特性

传统针对行星齿轮传动系统动力学的研究,均是假设其支撑在静止基础上,但置于飞行器内部的行星齿轮传动系统是随机体一起做空间运动,除了受到重力作用外还受到牵连惯性力和科氏惯性力,以及陀螺力矩的作用,这些附加载荷均影响系统的动态特性。为研究空天环境非惯性系下行星齿轮传动系统动力学行为,考虑内部非惯性系与外部非惯性系的综合影响,推导了机体任意空间运动状态下中心构件和行星轮运动方程,建立空天环境非惯性系下行星齿轮传动系统耦合动力学模型,并基于机体盘旋运动状态,研究空天环境非惯性系下行星齿轮传动系统的运动变化规律及不同非惯性条件下各构件的动力学行为。研究结果表明：机体无空间运动时,行星轮受到行星轮系内部非惯性系的影响,其径向平衡位置发生较大偏移;机体处于空间运动状态时,各构件重力将在径向产生分力,重力径向分力和附加惯性力随外部非惯性条件变化而变化;不同非惯性条件对各构件运动轨迹、轴承力、加速度有显著影响,且对中心构件与行星轮表现出不同的影响规律。     

三自由度并联机器人动力学及仿真

利用雅可比矩阵建立了一种三自由度并联机器人(3-RSR)动平台的外力、外力矩、惯性力、惯性力矩和重力到驱动关节的映射关系,在合理的假设基础上,运用牛顿欧拉动力学方程得到了动力学数学模型.并且基于虚拟样机技术,利用ADAMS软件对三自由度并联机器人进行动力学仿真.结果表明,用动力学模型计算的驱动力矩值和仿真结果一致,动力学模型精度较高,将其作为驱动力矩控制设计的基础是可行的.     

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。     

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。     

直接示教机器人的示教助力研究

传统的直接示教机器人在示教过程中需要人去克服机器人在运动过程中的重力、惯性力、离心力等,示教操作不灵活。基于机器人动力学研究了机器人示教时的助力控制方法。首先采用牛顿-欧拉方法建立了直接示教机器人的动力学模型,研究了机器人各关节的状态与力矩之间的关系,推导出机器人运动时各轴所需的力矩,并绘制了力矩曲线。然后,利用SolidWorks建立了机器人的三维模型,将该模型导入ADAMS,进行动力学分析与仿真。最后,将ADAMS软件的动力学仿真结果与建立的动力学模型计算结果进行了对比,力矩曲线基本一致,最大误差不超过11%。该动力学模型可以为机器人在各种位姿下进行助力控制提供计算依据,从而实现直接示教时的轻便灵活操作。     

液压四足机器人内力抑制及实验研究

针对液压四足机器人在关节位置控制模式下引起的机器人内力问题,建立液压四足机器人单腿运动学方程和单腿动力学方程,分析机器人内力产生的机理及其对机器人性能的影响,提出基于动力学模型的机器人内力自适应抑制策略。自适应控制器利用关节理论力与实际力间的差值对位置指令进行补偿,以实现消除内力的目的。通过液压四足机器人HD平台进行控制策略验证,实验结果表明,机器人在位置控制模式下,机器人内力抑制策略可有效降低系统内力,使得机器人实际驱动力与理论驱动力接近,验证了控制策略的有效性。     

基于惯性反馈的机器人智能碰撞传感器

针对工业机器人末端碰撞检测灵敏度较低的问题,提出了一种具有"惯性力检测+电磁力伺服"特征的智能碰撞传感器。采用惯性加速度反馈的闭环控制模式,使传感器的电磁吸力与惯性力形成动态平衡,消除了惯性力对传感器碰撞力阈值的影响。通过Pro/E对机构进行动力学仿真并建立了相应的碰撞力学模型,在六自由度机器人上进行了碰撞测试。实验结果显示,传感器的碰撞灵敏度有显著提高,证明了该设计方案具有一定的可行性。     

带有摩擦的机器人鲁棒控制

根据机械系统中摩擦力的特性,把有关标量情况下摩擦力的结论推广到矢量空间中,使机器人系统中的外部随机干扰控制问题具体化。首先利用反馈控制技术,把基于拉格朗日方程的机器人动力学模型转化成一个线性状态方程,并详细介绍这一转化过程。然后基于此线性状态方程,应用李雅普诺夫函数稳定性理论,针对摩擦力的一般特性,设计鲁棒补偿控制器来抑制摩擦力对机器人控制系统的影响,以使机器人实际运动轨迹能够全局渐近收敛于所给定的期望轨迹。所设计的控制器具有理论清晰、设计简单、鲁棒性好等优点。给予完整的理论证明,最后以两关节机器人为例,给出仿真试验结果。通过对比采用不同控制器所得出的不同仿真结果,可以看出所提出的鲁棒控制器具有较好的实用效果。     

完全重力平衡下的力感主手手腕结构改进

力感主手的手腕对主手的动态性能影响很大。为提高主手的动态性能,在通用型力感主手的基础上,采用将捏持点从手腕腕心移出的方法对主手手腕结构进行改进。确定由于捏持点与手腕腕心不重合而产生的额外力矩不会对人的力感觉产生干扰的最大移出距离。在力感主手处于完全重力平衡的条件下,根据人机工程学提出手腕结构的改进方案,降低手腕质量,并提高了手腕结构的刚度,使主手末端的惯性力降低了57%,显著提升了主手的动态性能。