双臂协作机器人双环控制方法研究

双臂协作机器人可以像人一样灵活完成协作完成任务,然而在双臂协作机器人运动与外部环境交互时,传统的控制方法存在控制精度及稳定性的问题。针对这些问题,文中提出了基于双臂协作机器人双环阻抗控制系统,来解决双臂系统夹持目标物体易损坏以及夹持物体与环境交互时控制系统不稳定性的问题,通过建立统一机械臂、目标物体和环境接触的力学模型进行理论分析证明,最后通过设计实验验证了提出方法的有效性。     

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。     

基于足地接触特性辨识的六足机器人自适应阻抗控制

为提高足式机器人在未知地面环境中运动适应能力,提出了一种基于足地接触特性辨识的模糊自适应阻抗控制算法.首先,针对六足机器人提出一种足地接触特性辨识方法.为降低六足机器人行走时足地之间的冲击力,提出了一种六足机器人沿腿长方向基于足地接触参数的模糊自适应阻抗控制器.基于六足机器人在不平坦地面行走时的足地接触状态,建立机器人步态控制状态机及行走控制框架.通过六足机器人仿真模型,对足地接触特性辨识方法、模糊自适应阻抗控制器以及机器人行走控制框架进行仿真验证,并应用到"青骓"六足机器人样机进行实验验证.     

沿任意倾斜面的机器人力/位置控制方法研究

设计了沿任意倾斜面的机器人自适应阻抗控制方法,该方法解决了接触面法向方向、环境阻尼、刚度参数未知对机器人力/位置控制的影响问题。在机器人与倾斜面碰撞接触过程中采用递归最小二乘(RLS)算法估计环境的阻尼、刚度,根据接触力矩实际值与期望值的偏差实现机器人末端期望姿态的调整;在机器人末端沿倾斜面滑动阶段,设计规则自调整的模糊控制器,根据机器人末端位移、接触力误差实时调整机器人阻抗控制模型参数,以适应环境阻尼、刚度的变化。提出的控制方法具有编程实现简单且对环境参数变化鲁棒性较强的优点,实验验证了控制方法的有效性。     

变胞机器人重构及转向时足着地柔顺性控制

变胞机器人能够根据外界环境变化在轮式行驶和足式行走两种运动模式间自然切换,因此兼具在平整结构路面上快速行驶和在崎岖山地越障行走的能力。基于广义坐标法建立了变胞机器人转向重构过程的运动学模型,考虑到重构过程中摆动腿与环境接触时存在较大冲击,提出了利用阻抗控制方法实现摆动腿着地柔顺控制。在传统阻抗控制的基础上,基于李雅普诺夫渐进稳定性定理设计了自适应阻抗控制器,并利用粒子群优化算法对阻抗控制参数进行了优化。通过在不同环境刚度下仿真分析,证实了经过参数优化后的自适应阻抗控制器能够很好地实现对期望接触力的跟随,提高了变胞机器人对未知多变环境的适应性。最后针对变胞机器人转向重构过程中足着地进行了路面实验,进一步证实了优化后的自适应阻抗控制方法的优越性。     

类人机器人腰部关节平衡作用研究与仿真

在双臂协调行为的研究中,对于类人机器人不仅涉及到双臂避碰、协调运动的轨迹规划等问题,还涉及到双臂动作时对身体ZMP的影响。当类人机器人搬动物体或执行其他工作时,由于身体质心的变化或者是质心加速度的变化对原来的运动平衡性造成影响。因此,我们在双臂协调的行为研究过程中,不得不考虑上体运动对身体ZMP的影响。这里通过调整腰部关节角度实现机器人在搬动物体时的静力学平衡,分析了通过腰部关节力矩调整实现机器人动平衡的方法,并给出了类机器人双臂搬运物体移动的仿真实例。     

关节一体化机器人动力学与阻抗控制算法研究

针对关节一体化机器人在高速复杂运动下能保持手臂平滑运动同时具有拖曳式示教的功能问题。首先利用DH法建立了转换坐标系,得到了各关节连杆的相对关系,运用弦位迭代的算法解决了手臂运动解耦问题。其次,针对关节一体化机器人空机械手的结构特点,建立了用牛顿—欧拉法的动力学方程。再次,在分析阻抗控制原理的基础上,设计了笛卡尔空间基于力的阻抗控制结构,并在关节空间实现笛卡尔空间经典阻抗控制问题。最后在机器人实验平台,基于关节转矩反馈设计阻抗控制器,并进行阻抗控制实验,实现机器人拖曳式示教功能,验证了所设计算法的有效性。     

双臂人形机器人的阻抗一致性控制

为了使机器人的工作适应人的特性,必须建立机器人的控制系统.作为在双臂机器人系统中的广泛应用的重要问题之一,阻抗控制重要的受限条件是缺乏一个广泛接受的框架来综合阻抗控制参数,以确保稳定的接触过渡和相互作用过程,并确保期望的接触性能.以此为出发点,这里提出一种新设计、规划和编程框架为双臂人形机器人的阻抗一致性控制提供高效和灵活的算法和工具,促进未来双臂机器人在复杂装配任务中的应用.通过对新型工位机器人双臂系统的初步测试,验证了该框架的适用性和可行性.     

液压驱动单元基于力的阻抗控制系统前馈抗扰控制研究

液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器,具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后,需依靠其完成具体动作,实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化,严重影响系统性能。若HDU具备高性能基于力的阻抗控制,则可有效减小机器人在运动过程中足地接触时的碰撞力,保证机器人运动的平稳性。为提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,研究一种前馈抗扰控制(Feedforward disturbance rejection control,FDRC)。介绍HDU基于力的阻抗控制系统及其数学模型,推导其非线性状态空间表达式。针对系统的外扰动推导等价输入矩阵,设计前馈抗扰控制器,并估算伺服阀流量系数。利用HDU性能测试试验台,针对不同工况和典型信号进行试验。试验结果表明,FDRC可大幅提高HDU基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,且工况适应性良好。该控制方法可降低外扰动对液压驱动型机器人的影响,提高机器人的适应性。     

机器人磨抛加工接触稳态自适应力跟踪研究

磨抛加工作为复杂曲面制造的最后关键工序,直接决定着零件的轮廓精度与表面质量。机器人具有运动范围大、通用灵活与智能化等优势,结合砂带磨抛工艺被广泛应用于大型复杂曲面零件的加工。但机器人多轴耦合、末端响应速度慢与定位精度低等弊端导致磨抛加工接触力精准控制困难,难以实现机器人柔顺力控加工。针对机器人磨抛加工接触稳态力跟踪问题,在阻抗控制与基于环境参数估计的参考轨迹自适应生成方法上,提出采用遗传算法对位置误差引起的接触力误差进行补偿。结果表明,所提出的方法提高了机器人磨抛加工接触力的跟踪精度,接触稳态力跟踪误差降低约85.7%,具有较好的稳定性与可靠性,可以实现机器人在未知环境下的柔顺自适应加工。     

具有超前特性的移动机器人跟踪截获控制算法

针对移动机器人跟踪截获运动目标问题,本文提出了具有超前瞄准的跟踪截获控制算法。在已知直线恒速运动目标特性的情况下,推导出了直线跟踪截获目标的超前瞄准角的计算公式。在目标特性未知的情况下,提出了基于目标视线角的修正PD控制算法。仿真试验结果表明该方法与常规的基于目标视线角的方法比较,能有效地改善机器人跟踪特性,其跟踪轨迹平直,目标截获时间短。     

面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法

在进行快速拆装任务时,模块化机器人既要有较高的伺服刚度与结构强度,又要对接触物体表现出一定的顺从特性,为此,提出一种面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法。分析机器人拆装时的正逆向运动学,获取末端执行器与基座间的总坐标转换形式,以及对应关节的旋转角度,调整模块力的反馈作用,令阻抗与导纳趋于动态均衡。基于机器人与外界环境间作用力,建立模块阻抗关系,推算柔顺控制规律,利用设计的自适应柔顺控制模型,取得期望控制力,令模块到达期望位置。实验测试中,使机器人模块随实验人员手部移动,跟随运动轨迹表明,其能够较好地适应手部给予的未知力,各方向上的跟随速度与作用力拟合情况以及零件实际装配结果较为优越,具备良好的控制稳定性,且满足快速拆装时的柔顺控制基本需求。     

适应环境刚度、阻尼参数未知或变化的机器人阻抗控制方法

针对机器人阻抗控制在实际应用中其性能受环境的阻尼、刚度参数未知或变化影响的问题,提出了一种机器人自适应阻抗控制方法。在定义机器人阻抗控制性能指标的基础上结合阻抗模型刚度变化的几何表示,给出了阻抗模型刚度参数初值计算方法,提出了基于人工神经网络的环境等效刚度在线估计方法,并结合二阶系统临界阻尼条件计算阻抗模型阻尼参数初值。机器人力控制实验结果验证了该方法较已有的机器人阻抗控制方法在参考轨迹平滑性、力控制稳定性和易于工程实践方面有一定的优势。     

四足机器人砂砾地面对角行走控制方法

为解决四足机器人在砂砾地面上对角行走容易失稳的问题,提高机器人对松软和凹凸不平地面的适应性,在位置控制的基础上提出了一种机身姿态角的调整策略,并在机器人对角行走的过程中采取了一种变阻抗参数的阻抗控制方法。最后在实际的砂砾地面进行了四足机器人对角行走实验,实验结果证明这种控制方法和调整策略对于四足机器人对角行走在砂砾地面上具有较好的控制效果。     

工业机械手视觉/力混合控制方案研究

对于未标定刚性环境,给出一种基于位置的视觉/力混合控制策略,实现对机械手的运动控制。在视觉引导下,机械手的末端寻找并稳定接触目标物体;当接触完全建立后,采用视觉和力同时控制机械手的运动。在任务空间内,基于边缘的刚体跟踪器把动态过程中的线性动态误差提供给局部稳定的观测器。实验和仿真结果证明了该方法的有效性。     

机器人捕捉运动目标的时间最优控制方法

对机器人的运动目标捕捉过程进行了研究,提出了用Ak im a样条函数对运动学求逆后的目标轨迹进行平滑的方法,使得轨迹在关节坐标系下得到解耦。通过模糊Bang-Bang控制机器人,使末端以时间最优的方式接近运动目标。当机器人关节位置与期望位置小于给定阈值时,采用带积分的模糊随动控制,使得每个关节相对独立地到达期望位置,并最终实现运动目标捕捉任务。结果表明,该方法简单有效,可快速稳定地实现运动目标捕捉任务。     

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.