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。     

遥操作工程机器人改进力反馈控制方法

针对力觉临场感遥操作工程机器人双向液压伺服控制系统,在采用p-f型控制结构时,容易产生反馈力冲击问题,提出了基于T-S型模糊推理逻辑构造一个非线性模糊变增益力反馈系数,构成改进的力反馈控制方法。设计了RBF-PID型参数可调控制器,形成双向液压伺服控制系统,通过实验验证了改进方法的有效性。实验结果表明,改进的力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手连续的跟随从手受力情况,减小了反馈力冲击现象,增加了力反馈的平顺性。提高了力反馈遥操作工程机器人系统的操作性能和透明度。     

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。     

电传飞控作动系统建模与力纷争均衡研究

针对电传飞控作动系统采用主-主工作模式而产生的力纷争问题,从系统安全性角度出发考虑成熟可靠的控制律,提出了惯性积分和PI控制力均衡算法。通过对2种算法的权衡研究,最终决定采用PI控制。同时对作动系统物理模型进行等效转换、动力学分析、位置闭环伺服控制数学建模及AMEsim建模仿真分析,结果表明采用PI控制可以使静态力纷争几乎减小为零,使动态力纷争降低到1.288 9×10~6 Pa,比设计指标低62.58%。仿真模型验证了设计的力纷争均衡算法的可行性,能够为后期地面台架力纷争均衡试验提供理论依据。     

双向激振液化的离散颗粒-流体耦合模拟方法

针对离散元模拟动三轴液化时难以施加围压,导致无法实现双向激振液化模拟的问题,提出引入适用的流体方程和有效的伺服围压算法实现动围压加载.针对流体方程,采用包含适用于流体边界网格移动的任意拉格朗日-欧拉描述(ALE)项和流体-颗粒耦合力项的流体方程组;针对伺服围压算法,将离散颗粒-流体伺服体系等效为弹簧-振子模型,采用的围压伺服力函数基于自动控制理论中的HJB方程得到.将流体有限元方程和伺服围压算法嵌入颗粒流软件(PFC2D),通过模拟双向动三轴液化实验,结果表明,该方法可以有效施加动围压,实现双向激振液化的离散颗粒-流体耦合模拟.     

基于模糊自适应和优化阻抗的双机器人力/位主从协同控制方法

多机器人协同作业广泛用于多机协同搬运、冲压、焊接等领域,具有更高的精度、更灵活的工况执行能力。协同系统的插补算法与力/位控制性能共同决定了协同作业的轨迹平滑性和稳定性,也直接影响着系统的承载性能与作业质量。本文主要针对双机器人协同搬运过程中的力/位控制技术,展开了深入研究。首先,分析了双机器人协同搬运工况的夹持特征和受力状态,建立了协同搬运系统的理想数学模型。接着,依据主从机器人二阶阻尼系统的数学模型,采用双机器人主从协同控制模式,分别设计力/位控制策略。提出主机器人采用基于理想位置的优化模糊自整定位置控制,从机器人采用基于主机器人位置偏差的优化细菌觅食算法的阻尼控制,并进行了控制模块的设计工作。然后,在MATLAB中编译了细菌觅食算法主体及其代价函数,在Simulink中搭建控制系统。最后,对整个控制器模块进行了联合仿真。仿真结果如下：主机器人的最大位置误差缩小到1.53mm,从机器人的最大力误差缩小到0.038N。从机器人追踪主机器人的位置误差控制在0.18mm内,且从机器人可在0.2s内快速修正主从速度偏差。仿真结果表明：相比常规PD控制,本文所述控制方法可减少约40%的最大追踪误差,且有效消除了力追踪过程中的过零振荡现象,提高了系统的实时追踪动态性能。     

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。     

低功耗耐高压双向线性力马达静态力特性研究

针对电液伺服阀和比例阀电 机械转换器能耗较大的不足,研制了一种低功耗、耐高压双向线性力马达.该力马达基于永磁极化磁通与线圈控制磁通差动控制的工作原理,通过梯形极靴及凹槽等结构设计克服了位移 力特性的非线性,减小了非工作气隙,提高了电磁转换效率.通过建立有限元模型,仿真分析了该力马达在不同激励电流和位置下的磁场分布,探讨了该力马达的位移 力输出特性成因及特性。仿真结果与实验结果吻合,表明该力马达具有正磁弹簧刚度的位移 力特性、良好的线性度、较小的滞环和较低的功耗。     

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.     

绳索牵引并联康复机器人的建模与控制

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了一种绳索牵引并联康复机器人.在对机器人进行运动学和静力学分析的基础上,利用牛顿-欧拉法建立了机器人的动力学方程.在给出力分解模型的基础上,提出了一种力/位并行控制策略:位置环和力环分别用于实现患者骨盆运动轨迹和绳索张力大小的控制.最后对机器人控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,该控制策略不仅能满足对轨迹跟踪要求,而且具有很好的鲁棒性.     

基于小波神经网络的机械臂力/位置控制算法

基于小波神经网络,提出了一种新的受时变约束机器人力/位置控制算法。由系统约束关系推导了降阶的动力学模型,基于降阶模型设计了鲁棒小波神经网络力/位置控制算法。由Barbalat给出了系统的稳定性证明。数值仿真结果验证了本文控制算法的有效性。     

基于二自由度内模控制的电动变桨距伺服控制系统设计

针对风机变桨距系统对位置跟随性能和抗扰性要求高的特点,本文对永磁同步电机电动变桨距伺服系统的二自由度内模控制进行了研究。在分析电动变桨距系统控制原理的基础上,设计了一个二自由度内模控制器,实现电动变桨距伺服控制系统的位置跟踪和抗扰性的双优控制,并有效抑制了转矩脉动。仿真结果表明,所设计的控制器较传统的PID控制具有更好的控制效果。     

基于速度闭环的自适应力位控制算法

针对力觉主手力控制中接触刚度时变的特殊要求,提出了一种含有速度闭环的自适应力/位混合控制算法.通过构造系统特定的标量函数,证明可以通过选择合适的自适应参数更新律,使得在该控制律和更新律的共同作用下追踪力误差是有界的,力误差的导数是平方可积的.利用Barbalat引理证明了该控制算法具有全局渐近稳定性.给出了主手力控制系统的体系结构,并对不同频率正弦力信号进行了跟踪实验.实验结果表明:对于同样频率的力信号,所提出的方法跟踪误差小于常规阻抗控制方法,整个控制系统稳定并具有良好的控制特性.实验分析了控制律中各关键参数对控制品质的影响.     

基于自适应反推补偿的PMLSM位置跟踪控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统,在分析影响伺服跟踪精度因素的基础上,采用反推控制策略进行有效补偿控制。考虑参数变化、外部负载扰动等不确定因素对系统伺服性能的影响,从位置跟踪误差开始设计虚拟控制器,然后选择虚拟误差、位置误差构成新的子系统,设计新的虚拟控制器,通过递推依次对得到的虚拟控制器逐步修正算法,最终设计出实际控制器。仿真结果表明,和PI控制相比,该控制器明显降低不确定因素对系统性能的影响,能很好地跟踪周期性参考指令,削弱了时变外力扰动对系统性能的影响。     

Research on Master-slave Telerobot Force Telepresence Technology

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