水平运动的三自由度欠驱动机器人的位置控制

以水平运动的三自由度欠驱动机器人为研究对象,对其位置控制问题进行研究．基于分层控制思想提 出一种模糊控制系统,将欠驱动机器人末端位置控制问题进行分解,末端位置由主动关节的旋转与被动关节的伸展 或收缩组成．第1 关节按照规划的曲线运动,第2 关节和第3 关节通过动力学耦合作用运动到期望位置．主动关节 2 的控制力矩或控制电压通过对模糊逻辑控制器的输出量进行加权求和得到．采用该控制原理,通过数值仿真和实 验实现了3R 欠驱动机器人在操作空间中末端点到点的位置控制．     

钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

通过研究分析一类[N+1]条钢丝绳驱动[N]个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。     

基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化

由于冗余驱动的存在, 冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力. 以实现骨科机器人的安全精准操控为目的, 提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法. 首先, 采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模. 其次, 为实现机器人的安全操作, 设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器, 利用李雅普诺夫理论分析了系统的稳定性; 在此基础上, 以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务, 提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法. 最后, 通过仿真实验与对比分析, 验证了所提方法的有效性, 实现了机器人系统传动间隙的消除.     

六自由度并联机器人的支链选取

提出了六自由度并联机器人的支链选取的系统方法． 并联机器人中有多种类型的支链可以用来实现末端执行器的6自由度运动， 每个支链的驱动关节应当在基座上或靠近基座的地方， 由支链所构成的整个并联机构的自由度应当为6．利用这些条件对并联机器人的支链形式进行筛选可以获得可行的支链形式． 通过这种方法可以去除很多不可行的支链形式, 得到可行的支链形式供后续设计使用．     

机器人带未知负载条件下的碰撞检测算法

未知负载会增大机器人模型误差,对碰撞检测产生严重干扰,甚至导致算法失效.为此,本文提出了一种适用于机器人带负载工作情况的碰撞检测算法.首先,基于机器人广义动量设计具有带通滤波特性的新型力矩观测器,通过对机器人动力学频域特性进行分析,得到机器人动力学模型与关节运行速度对应的最大频率阈值,确定带通力矩观测器的参数.然后,利用带通力矩观测器对关节力矩信号进行滤波,提高碰撞检测算法对机器人模型误差的容忍度.最后,通过人与机器人交互实验进一步验证了该碰撞检测算法的有效性.实验结果表明,该算法与已有的算法相比具有更好的鲁棒性,可满足机器人带未知负载0～2 kg的工作需求.     

空间机器人分布式滑模变结构控制方法

针对空间机器人的动力学特性和星载控制系统的结构特点,分别基于干扰上确界和比例切换,设计了2种分布式滑模变结构控制方法,以实现在存在不确定干扰和关节摩擦力矩情况下基座姿态和关节运动的综合控制.首先给出了空间机器人的动力学模型和关节低速摩擦力矩模型,并以两自由度空间机器人为例,介绍了2种分布式滑模变结构控制方法的推导过程.通过仿真实验,对2种控制方法进行了对比,结果表明分布式变结构控制方法在简化算法的同时,能够保证系统控制性能,并对干扰和参数变化具有较强的鲁棒性.     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略

为解决双臂机器人运动过程中的自碰撞问题，提出了一种面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略。利用机械臂正向运动学构建双臂机器人动态骨架包围盒，用于简化计算关节间最小距离；根据机械臂关节空间阻抗控制规则，设计了基于关节间距离的力矩控制算法，将运动中各关节间距离转换为避碰力矩，并将避碰力矩和其他任务的期望力矩相加，从而得到控制双臂机器人运动的实际力矩。实验表明：当双臂机器人的设定杆件相互靠近且达到避碰距离时，本研究所提出的自避碰策略能够及时对机器人的运动关节产生一组平滑的避碰力矩，避免了机器人自身发生碰撞，验证了所提算法的有效性及实用性。     

一种新的六自由度并联机器人分散控制方法

结合六自由度并联机器人机构的特点.提出一种新的分散控制方法.首先依据机构特点指出了关节空间内惯性矩阵块对角占优特性,从而将耦合强烈的邻近支路加以整体考虑,即分散控制3个两输入两输出子系统;然后将惯性矩阵的逆分解为块对角矩阵与耦合矩阵之和,从而得到每个子系统的动力学方程;最后针对子系统负载随机构运动而变化的特点引入线性变参数(LPV)控制方法,降低了使用线性定常控制器的保守性.仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

基于Virtual.lab的柔性并联机器人仿真平台

为了实现柔性并联机器人的快速可视化建模,提供柔性并联机器人动力学分析的新途径,针对柔性并联机器人系统内刚体、柔体耦合的难点,利用Virtual.lab软件对VBA的支持及其处理机械系统弹性动力学问题的优势,结合数据库技术、参挝数化建模原理和柔性并联机器人动力学仿真的特点,对Virtual.lab软件进行二次开发,建立柔性并联机器人动力学仿真平台,可实现柔性并联机器人动力学特性的分析.该平台操作简单,建模效率高,计算速度快,便于机械工程师在机械设计中使用.为柔性并联机器人结构优化设计及运动学、动力学规划指标的确定提供科学依据.     

自由飞行空间机器人的关节驱动力矩递推算法及其仿真

由于空间特有的微重力环境和卫星本体重心不固定,机械手和卫星本体之间存在运动学和动力学耦合作用,已有针对地面机器人提出的计算关节力矩的 Ｎｅｗ ｔｏｎ Ｅｕｌｅｒ 法和地面机器人的控制策略不能直接应用于自由飞行空间机器人（ Ｆ Ｆ Ｓ Ｒ）的研究报告．文中首先分析了 Ｆ Ｆ Ｓ Ｒ 的速度和加速度关系,在此基础上建立了计算 Ｆ Ｆ Ｓ Ｒ机械手各链杆的速度和加速度的递推公式;其次基于已有的针对地面机器人提出的 Ｎｅｗ ｔｏｎ Ｅｕｌｅｒ 动力学算法,开发了适用于 Ｆ Ｆ Ｓ Ｒ 的关节驱动力矩的递推算法;最后,用计算机仿真验证了文中提出的关节力矩算法的有效性     

具有谐波减速器的机器人关节建模与动力学参数辨识

针对串联机器人,提出了一种改进的机器人关节模型,并采用该模型开展了机器人动力学建模与辨识工作。建立了机器人动力学模型,对机器人关节结构进行分析,改进了关节模型,并通过谐波减速器的输入力矩近似估计其摩擦力矩。选取傅里叶级数为激励轨迹并优化其参数,通过控制关节按照所得轨迹运动,采集并处理相关数据,并基于加权最小二乘法分别辨识机器人关节模型参数与连杆动力学参数。通过关节预测力矩对所得参数进行验证,结果表明,基于改进关节模型的机器人动力学模型精度得到明显提升。     

空间机器人姿态稳定方法研究

研究机器人动态优化问题,空间机器人的动力学耦合特性会影响系统的稳定性.空间机器人由于机械运动基座产生扰动,影响姿态稳定.通过建立空间机器人的动力学模型,结合动力学耦合特性分析了空间机器人的零反作用空间.提出基于零反作用空间的基座姿态稳定方法,实现了机械臂与基座的动力学解耦.不采用反作用飞轮或反作用喷气装置,即可使空间机器人的基座姿态达到稳定,达到了节省星上能源,延长空间机器人使用寿命的目的.在Matlab上进行数值仿真实验,结果验证了方法的有效性和可行性.方法能够为空间机器人在轨操作提供理论依据.     

考虑关节柔性的模块机器人动力学参数辨识

提出了一种基于3维运动测量系统Optotrak3020的柔性关节模块机器人动力学模型参数辨识方法.首先将机器人的动力学模型参数化为不包括刚度力矩的线性形式,避免了参数矩阵的标定问题.激励轨迹基于有限的傅里叶级数函数,采用自适应遗传算法得出了优化的傅里叶级数系数.机器人每一关节单独跟随优化激励轨迹进行运动,同时电机位置、...     

工业机器人负载动力学参数辨识方法

为了解决负载变化导致的机器人控制性能降低的问题,本文在分析负载动力学参数对各关节力矩的影响的基础上,提出了一种仅驱动机器人的第3、4、5、6轴运行激励轨迹的辨识方法.首先,基于最小惯性参数集线性化工业机器人动力学模型;其次,在分析负载参数对各关节力矩的影响的基础上,选取相应的运动关节轴,设计适用于负载辨识的有限项傅里叶级数的优化激励轨迹;然后,在空载和带3种不用负载情况下运行激励轨迹,采集关节角度和关节力矩数据,并将数据通过低通滤波器处理;最后,基于动力学线性模型使用加权最小二乘法辨识负载动力学参数.机器人运行验证轨迹,通过计算负载力矩计算值和测量值的差的均方根(RMS)来评价负载辨识结果.同时将该方法与CAD (computer aided design)方法对比,结果显示前者最多可以将后者RMS值降为原来的16%,且该方法对不同负载辨识结果稳定有效.该方法避免了驱动所有关节轴运动的方式,减小了机器人耦合带来的误差,同时缩短了激励轨迹参数优化时间,有效提高负载动力学参数的辨识效率和效果.     

5R实验机器人动力学仿真结果分析

本文对5R弧焊机器人动力学进行了仿真研究,让焊枪分别在50秒和2秒的时间内走完一条2米长的直线段,从而得到了在作弧焊运动和点位运动时机器人前三个关节的仿真结果.通过对仿真结果的理论分析和比较,对关节力矩中的静力矩和动力矩所占的比例进行了定量研究,对重锤的平衡效果、关节力矩与电机力矩之间的关系以及它们与关节加速度之间的关系作了分析.在此基础上,本文对机器人的工作性能作了评价,并对如何进一步改进结构设计提出了具体措施.     

蹲起时助力外骨骼驱动及人机耦合作用驱动补偿

针对由于关节驱动特性不明而造成助力外骨骼蹲起不顺畅的问题,为增强人机交互性及助力外骨骼蹲起可靠性,对蹲起时助力外骨骼的关节驱动及人机耦合作用下的关节驱动补偿进行了研究.通过人体数据采集实验及非线性数据拟合,得到各关节运动学方程.建立了蹲起时的人机耦合动力学模型,研究了关节驱动特征,发现膝关节的驱动特征及其波动性远大于踝关节和髋关节;膝关节驱动力矩与角加速度耦合性强;只在蹲起前半段,系统重心迁移对膝关节驱动有较大影响.根据关节驱动特征的研究结果,膝关节采用双作用线性液压缸进行驱动,与此同时人机耦合作用力可以补偿踝关节部分驱动力矩及髋关节全部驱动力矩.     

四足步行机器人爬行步态的计算机仿真

由于机器人数学描述的复杂性,使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难,计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据.文中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况.通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据.     

基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法

设计了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法.在机器人与人体上肢接触面安装力传感器采集人机交互力矩信息作为量化的主动运动意图,设计了一种无模型自适应滤波算法使交互力矩变得平滑而连贯;以人机交互力矩为输入,综合考虑机器人末端点与参考轨迹的相对位置和补偿力的信息,设计了人机交互阻抗控制器,用于调节各关节的给定目标速度;设计了将无模型自适应与离散滑模趋近律相结合的速度控制器完成机器人各关节对目标速度的跟踪.仿真结果表明,该控制方法可以实现外骨骼式上肢康复机器人辅助患者完成主动交互训练的功能.通过调节人机交互阻抗控制器的相应参数,机器人可以按照患者的运动意图完成不同的主动交互训练任务,并在运动出现偏差时予以矫正.控制器在设计实现过程中不要求复杂准确的动力学建模和参数识别,并有一定的抗干扰性和通用性.     

基于解耦线性化的变刚度关节动态刚度辨识

为了能够利用变刚度关节实现对机器人动态特性的调整,需要对关节的动态刚度进行有效的辨识和控制.本文首先根据机器人变刚度关节的结构特点建立了简化模型,并对其刚度输出特性表达做出假设;然后对模型中的力矩相关参数进行解耦,消除了关节刚度调节参数对力矩的影响,获取与刚度辨识相关的归一化力矩;利用泰勒展开对归一化力矩进行线性化处理,采用卡尔曼滤波器进行了系数优化,并进一步实现了对关节动态刚度的辨识.仿真中该刚度在线辨识方法可以将辨识误差控制在±2%以内,在实现动态刚度辨识的基础上研究了基于前馈的刚度闭环控制方法,通过仿真实验验证了该方法对于机器人关节刚度闭环控制是有效的.