非结构环境下的机器人自适应变阻抗力跟踪控制方法

针对力跟踪时环境刚度不确定及环境位置动态变化的未知性,提出一种非结构环境下基于自适应变阻抗的力跟踪控制策略.首先,通过建立机器人与环境的接触力模型,分析理想情况下对环境刚度和环境位置的要求;然后,建立新的阻抗模型来适应环境刚度不确定的情况,并根据接触力的变化对阻抗模型参数进行在线自适应调节,用于实时地补偿对环境动态变化的未知性,并对自适应变阻抗的稳定性进行证明;最后,对经典的定阻抗与所提出的自适应变阻抗进行非结构环境下的仿真和物理实验的对比,实验结果表明该策略相比于定阻抗控制能够达到更好的力跟踪效果.     

基于HMS的双臂机器人运动学协调约束模型研究

论文主要研究了双臂机器人的协调运动。建立双臂机器人协调运动模型,根据双臂机器人进行实际任务时的相对位置控制关系,建立一种基于两机械臂协作过程中相对运动的约束协调算法模型,通过和声搜索算法,期望能够根据所得运动最优解增进双臂协调运动过程中的平稳性,并且能够减小仿真过程中的相对误差,保证双臂机器人在进行任务的过程中双臂之间的约束关系。     

空间柔性双臂机器人的神经网络协调控制

基于对机器人闭链系统运动特性的分析,采用假设模态法及拉格朗日方程建立了自由浮动空间柔性双臂机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型,然后采用基于小脑模型的模糊神经网络与非线性PD并行控制的方法对该动力学模型进行轨迹跟踪,并对内力采用积分控制;通过仿真实验比较,该方法比一般的非线性PD控制,在跟踪误差、抗干扰性、鲁棒性方面,都有很大的改善.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

仿生假手抓握力控制策略

为了使仿生假手完成各种精细作业,提出一种抓握力控制策略.在自由空间和约束空间中分别使用基于位置的阻抗控制和力跟踪阻抗控制.在过渡过程中使用模糊观测器切换控制模式.两种控制模式采用同一个基于位置的阻抗控制器,在约束空间向阻抗控制器中引入参考力,以满足约束空间的抓握力控制要求.这种方法可以使关节在自由空间和约束空间中分别实现良好的轨迹跟踪和力矩跟踪,在过渡过程中实现控制模式的可靠切换和系统的稳定过渡.提出一种自适应滑模摩擦力补偿方法,利用终端滑模思想设计了滑模函数,使得系统跟踪误差在有限时间内收敛,避免了传统线性滑模面状态跟踪误差无法在有限时间内收敛至0的问题.根据指数形式摩擦力的特点,利用终端滑模控制思想获得包含摩擦力参数估计的滑模控制律,并基于李亚普诺夫稳定性定理推导了估计参数的在线自适应律.对该抓握力控制策略在HIT假手上进行了抓取实验,实验结果证明了控制策略的有效性.     

基于运动性能分析的双臂冗余度机器人协调运动研究

为了提高双臂冗余度机器人在其交互工作空间中的协调运动能力,以ABB YuMi为例,提出了一种计算简便并且能够有效反映双臂协调运动灵活性的性能指标。利用D-H法建立了YuMi机器人的运动学模型,分析了双臂可操作度的分布情况,分别研究了两种协调运动方式的运动学约束关系以及相应的运动控制规律,基于灵活性分析构建了双臂协调装配电机转子与轴承以及字母绘制的任务,通过仿真和实验验证了本文双臂可操作度指标的有效性及协调运动规划方法的正确性。     

基于遗传算法的双臂机器人模糊力/位混合控制

近年来,适用于空间站操作的冗余度双臂机器人系统技术研究得到了较多的重视．结合已有的 研究基础和研究条件,本文开展了面向空间舱内作业的冗余度双臂机器人协调控制应用研究．针对双臂机器 人协调操作过程中的受力问题,提出了一种基于遗传算法的双臂机器人模糊力/位混合控制策略．该方法把机 器人末端的力误差通过模糊控制转变为机器人位置控制器的修正值,在不改变机器人原有位置控制器的前提 下,实现力/位混合控制．利用遗传算法离线优化模糊控制规则,为了提高遗传算法的性能,总体交叉概率和 变异概率都采用了自适应控制策略．最后,以冗余度双臂机器人合力协调搬箱为例,进行了力跟踪的三维仿 真和实验,验证了所提出控制策略的有效性和可靠性．     

双机械手对称协调力/位混合控制——模型、控制算法与实现

该文研究双手协调运动和力控制方法.基于一组面向对象的广义运动和力向量的定义, 考虑对象动力学,建立了面向对象的双手对称协调运动方程,该运动方程显式地表示了对象的 运动、内力及环境接触力与双手关节力矩间的关系.据此设计出广义工作空间一级的双手对 称协调力/位混合控制算法,并解决了算法的分解与并行实现问题.在两台PUMA562机械手 上进行的实验表明,本文研究的方法,可以在双手协调运动过程中实现对被操作对象的运动、 内力和环境接触力的混合控制.     

平面复杂边缘的双机器人协调跟踪运动规划研究

研究双机器人协调跟踪平面复杂边缘所涉及的问题.在笛卡儿空间内对跟踪任务进行协调分解,并分析双机器人的位置约束关系,采用双曲线函数规划双机器人基于关节空间的运动轨迹,以满足位置、速度以及加速度等平滑运动的约束条件,采用基于曲线极大值的分段跟踪算法扩展平面复杂曲线的一般性.仿真实验和应用均表明了所研究内容的可行性和正确性.     

约束环境中多指手操作的鲁棒控制

针对约束环境中的多指手操作系统,在考虑其动态模型的不确定性以及存在外界干扰的情况下,提出了一种鲁棒操作算法.对于模型的不确定性,该算法能够保证物体的位置误差、速度误差以及与环境之间的作用力误差具有全局指数收敛的特性.在存在外界干扰的情况下,系统满足给定的干扰抑制性能指标.同时,通过对多指手操作系统的内力进行鲁棒优化,进一步增强了系统的鲁棒干扰抑制性能.     

基于加速度传感器反馈的丝杠传动系统接触力控制

针对丝杠传动系统从自由空间运动过渡到约束空间力控制过程中,接触不同环境刚度时接触力的动态特性是不同的,并且存在冲击、高频振动甚至不稳定,以及稳态力跟踪阶段的扰动引起的不稳定问题,提出用加速度传感器反馈来增加系统力控制的阻尼,抑制在力控制的接触过渡过程和力维持跟踪过程中因为碰撞和外部扰动等原因产生的高频振动,克服单纯速度反馈控制带宽比较窄的局限性,增加系统的稳定性.建立了基于多传感器的实验平台,进行了接触力控制的实验比较研究,实验结果表明该方法是可行的.     

基于柔性人机接口的人机协调运动控制方法

为改善基于力信息的人机协调运动中人机交互力,采用了在人机接口中设置弹性元件的方法,建立了具有柔性人机接口的人机交互力学模型。在已有鲁棒自适应阻抗控制方法的基础上进行改进,提出了一种基于柔性人机接口的自适应阻抗控制方法。此控制方法是对阻抗外环位置速度进行比例补偿,对力控制内环采用模糊PID (proportion integral differential)控制,实现改进自适应阻抗算法,从而提高了位置跟随精度,并有效减小了人机交互力。分析了人机接口中弹性元件对控制效果的影响,获得了不同刚度系数时,交互力控制效果和位置跟随精度。在此基础上,建立了试验系统,完成了试验。人机协调运动试验结果显示：应用柔性人机接口和改进后的控制方法具有更好的人机交互力控制效果。标准运动输入试验结果显示：改进后的控制方法具有更好的人机交互力控制效果和更高的位置跟随精度;人机交互力大小、位置跟踪准确性与人机接口刚度系数大小均成正比。     

基于扰动观测器的机器宇航员协调操作阻抗控制

针对未知干扰环境下机器宇航员执行协调操作任务的高精度控制要求,提出一种基于扰动观测器的协调操作阻抗控制算法．首先分析操作物与机器宇航员的几何约束和力约束关系,建立机器宇航员与操作物的统一动力学模型;其次利用机器人广义动量,设计适用于机器宇航员协调操作系统的动量扰动观测器;然后结合统一动力学模型,设计基于扰动观测器的机器宇航员协调操作阻抗控制算法;最后通过仿真对控制方法开展验证．结果表明,当臂杆受未知干涉力影响时,操作物的位置误差可被控制在10^-5 m的量级内．所提出的算法有效减小了未知干涉力对操作物位姿控制精度的影响,保证了协调操作任务的高精度控制．     

基于物体目标阻抗的多指手协调混合阻抗控制的研究

本文在多指手协调控制的基础上,提出了协调混合阻抗控制方法。在不同方向引入位置或力控制的物体目标阻抗,根据多指手协调控制的动力学方程设计计算力矩控制器,并对ＢＨ－１手抓持物体在自由空间和受限空间运动进行了仿真研究。结果表明,采用协调混合阻抗控制可使物体在被抓持过程中按期望的位置和力轨迹运动,且具有较好的动态性能。     

基于双眼同步运动特征约束的Kalman瞳孔跟踪算法

针对注视点研究中,红外光照明下双眼瞳孔运动的定位跟踪存在误差的问题,以双眼实时图像为研究对象,提出一种基于双眼同步运动特征约束的瞳孔跟踪算法.根据人类双眼在注视过程中的同步运动特征,把双眼瞳孔间距矢量作为隐式参数进行估计,简化包含左右眼位置、速度和双眼瞳孔间距的模型为统一的双眼同步跟踪模型,运用Kalman滤波器实现了运动特征估计和状态跟踪.实验采用自制的头戴式注视点传感装置进行眼部图像的采集.实验表明,该算法跟踪精度高,抗干扰能力强.相较于传统的以左右瞳孔位置与速度以及左右眼相对位置为状态量的算法,本文算法在位置跟踪和速度跟踪的鲁棒性上有明显改善,算法计算量也明显减少.另外,经过本文算法处理后的注视点位置估计精度大大提高,为注视点在人机交互领域中的进一步应用奠定了基础.     

遥微操作机器人系统滑模变结构控制研究

遥微操作机器人是一种应用于医疗、微生物工程及微机械等领域的特殊遥操作机器人系统,文中主要针对面向微创外科手术系统的遥微操作机器人系统中,操作者及作业环境往往具有时变性而易导致系统不稳定且难以控制的问题,在已有的动力学模型的基础上,设计了一种新型的滑模变结构控制方案,在该方案中主机械手采用阻抗控制而从机械手采用滑模变结构控制策略.仿真实验结果表明了方案的有效性和鲁棒性,系统能较好地实现位置比例跟踪和力比例跟踪.     

一种改进的Camshift/Kalman运动目标跟踪算法

针对目标跟踪中的目标遮挡、丢失等情况,提出了一种改进的基于空间边缘方向直方图的Camshfit/Kalman跟踪算法.首先,利用空间边缘梯度方向作为匹配信息,同时自适应修正每帧中的匹配模板,再使用Kalman滤波器对运动目标的位置进行预测更新,以克服目标遮挡情况及噪声的干扰.实验表明,该算法能够较好处理目标遮挡情况,实现运动目标的高精度跟踪.     

多机械手刚性协调动力学建模与混合控制

从力负载分析开始,阐述多手直辖市中对象的外/内力和外/内运动定义;考虑对象运动受限情况,提出一组描述协调任务的广义运动和力向量;以各机械手及对象的运动方程为基础,建立面向对象的运动学、静力学和动力学模型,该模型与单机械手操作空间的运动方程具有一致的表达形式,据此,该文探讨了多手协调情况下运动、内力和接触力的混合控制问题。     

面向未知环境基于智能预测的模糊控制器研究

提出了一种新的面向未知环境的智能预测算法，并将此算法应用于机器人力跟踪控制中．该方法利用机械手末端与未知受限环境产生的接触轨迹，通过模糊推理智能地预测阻抗控制模型中的参考轨迹，并根据力误差变化用参考比例因子对其进行调节，以适应未知环境刚度的变化．通过对阻抗模型参数进行模糊调节减少受限运动中的力误差，提高了全局的力控制效果．仿真结果证明了此算法的有效性．     

自适应尺度目标跟踪算法

针对复杂情况下变尺度目标跟踪问题,提出一种基于粒子滤波的自适应尺度目标跟踪算法.根据参考目标的颜色分布,将参考目标分为多个区域,每个区域的颜色分布用高斯模型表示,区域的位置关系构成了对参考目标的空间约束;根据目标分割区域的颜色分布和空间约束关系构造目标外观模型,结合粒子滤波搜索目标位置并检测目标的尺度变化.目标外观模型同时包含了空间及颜色信息,提高了跟踪算法在复杂情况下检测目标尺度变化的可靠性和准确性.实验结果表明,该算法在目标具有明显尺度变化、姿态改变和部分遮挡的情况下,可以获得准确和鲁棒的跟踪结果.