振动基柔顺驱动打磨机器人的力/位混合控制研究

针对柔顺打磨机器人在移动作业过程中,在基础振动、柔性振动与环境接触力耦合作用下非线性控制问题,提出一种新型鲁棒轨迹跟踪力/位混合控制策略。使用第二类拉格朗日法建立柔顺机械臂的动力学方程,通过奇异摄动法将上述系统分为快、慢2个时间尺度的子系统。慢变子系统对系统刚性部分采用力/位混合控制方法,其中力控制采用PID控制,位置控制采用基于神经网络的鲁棒控制。快变子系统对系统柔性部分采用速度差反馈法进行控制。结果表明：利用所提出的控制策略,机械臂末端的轨迹跟踪效果较好且打磨力保持稳定,对非线性振动有较好的抑制效果。     

机器人柔性关节前馈力/位混合控制策略研究

针对机器人关节柔性引起的轨迹跟踪误差问题和末端执行器残余振动现象,在PD反馈控制律基础上,提出一种基于柔体动力学模型的前馈力矩补偿控制算法和后置多模态自适应输入整形算法前馈力/位混合控制策略。建立六轴工业机器人柔体动力学简化模型,在不附加关节编码器和外设的情况下进行柔体动力学参数辨识,再将动力学模型改写为力矩计算方程,经计算得到前馈力矩并加入控制律中进行补偿;计算前馈力矩所用的期望轨迹需经过输入整形器处理,考虑机器人系统的时变性问题,采用后置多模态自适应输入整形算法对期望输入位移信号进行命令整形,从而抑制末端的残余振动现象。结果表明：所提出的前馈力/位混合控制策略能有效减少轨迹跟踪误差,抑制机器人末端的残余振动现象。     

六轴焊接机器人末端测量系统

研发了一种用来测量六轴焊接机器人末端位置和方向的新型测量系统,该测量系统通过5个数字探头来获取焊接机器人末端的位置和方向等运动学参数。在六轴焊接机器人工作前,进行了末端位置测量系统的标定,标定后系统的定位精度为0.025 mm,定向精度为0.075°。实验中,通过末端测量系统得到了焊接机器人控制器增益调节过程中的位姿,并结合田口法找到了最佳控制器增益。实验结果表明,采用最佳控制器增益的焊接机器人末端的振动得到了有效抑制,在高频段的末端振动幅度降为原来的54%。对于多轴焊接机器人的控制具有重要价值。     

打磨机器人控制系统设计与研究

为解决卫生陶瓷行业中的干胚打磨粉尘浓度高,噪声大,工作环境比较恶劣,影响工人的身体健康的问题,设计并开发了一套基于6轴工业机器人的自动打磨系统。通过设计机器人末端的力控法兰打磨机构,基于Labview开发了打磨机器人末端力控法兰的上位机软件,与工业机器人通讯,运用PID控制系统,进行恒力打磨实验,结果表明:打磨机器人可以控制输出相对平稳的接触力,验证了力控法兰设计的可行性,满足了卫生陶瓷打磨对接触力控制的需求。     

双臂机器人的轨迹跟踪控制方法研究

针对工件在实际加工中打磨空间局限、精度不高等问题,为提高机器人作业的轨迹跟踪效果,提出一种双臂机器人轨迹跟踪控制方法。以轮毂打磨为研究背景,主从架构中夹持机器人采用PD控制,夹持待打磨工件进行位置跟踪运动控制;打磨机器人采用基于位置的阻抗控制,实现力控和末端位置补偿,提高定位精度。基于MATLAB/Simulink设计仿真模型验证可行性,并完成实验验证。实验结果表明：当机器人末端在外界干扰力作用下,能自适应地跟踪及修正轨迹,满足双臂机器人轨迹跟踪控制的要求。     

气电混合式机器人力控末端执行器研究

针对现有机器人末端力控装置存在的力控制精度低、响应速度慢的缺点,设计了一种气电混合式的机器人力控末端执行器。气电混合式机器人力控末端执行器主要由气囊式气缸和音圈电机组成,并按照并联方式连接。气囊式气缸两端分别与音圈电机的定子和动子连接,并置于音圈电机内部。该结构不仅利用了气囊式气缸承载能力大、缓和冲击能力强的特点,同时也利用了音圈电机的快速响应特性进行快速力补偿。为了进一步提高系统的响应速度和力控精度,提出了用PI控制器调节音圈电机的电流。最后,采用了Matlab/Simulink对提出的控制方案进行仿真实验,结果表明,所设计的气电混合式机器人力控末端执行器力控制精度高、力控稳定性好、响应速度快。     

一种开放式机器人控制器力/位混合控制的实现方法

针对机器人主动柔顺控制在工程中如何实现的问题,开发了一种开放式机器人控制器.此控制器采用"PC PMAC"的控制结构,利用伺服驱动器的两种不同的控制模式,提出了一种实用的力/位混合控制方案,给出了相应的硬件和软件的具体实现.实验表明,文章提出的力/位混合控制方法具有良好的稳定性和力控制精度.     

直角坐标机器人迭代滑模交叉耦合控制器设计

为克服机械惯性、负载扰动以及复杂的轮廓误差模型等因素对三轴直角坐标机器人末端执行器位姿精度的影响,设计了一种迭代滑模交叉耦合控制器。其中:滑模速度控制器用以抑制非周期干扰;迭代学习位置控制器用以减小跟踪误差;轴间变增益交叉耦合控制器用以消除轮廓误差。通过仿真验证了上述复合控制器的性能。结果表明,所设计的迭代滑模交叉耦合控制器具有较高的轮廓精度和较强的鲁棒性。     

基于卡尔曼滤波的恒力装置恒力跟随方法

无力传感恒力装置是机器人打磨核心部件之一，由于缺乏对外部负载的感知，存在恒力精度较差的问题。对此研究其恒力跟随方法：根据恒力装置的结构和工作原理建立恒力装置恒力跟随模型；利用卡尔曼滤波器获取恒力跟随模型中的位置、速度、加速度信息，并利用外部负载质量标定方法获取恒力跟随模型中的外部负载质量；在恒力跟随模型参数确定后，根据输出力目标值和恒力装置状态确定气缸进气方向和求解气压大小，继而实现恒力跟随。最后实验结果表明，采用该恒力跟随方法的无传感的恒力装置的恒力跟随精度为3 N,基本满足机器人打磨作业的精度要求，验证了所提出的恒力跟随方法的可行性。     

机器人交互作业中六维力传感器重力补偿研究

为使用六维力传感器精确地测量机器人末端执行器的接触力,需对安装于机器人腕部的六维力传感器进行零点校正及重力补偿。通过对不同机器人姿态下末端执行器的受力状态进行分析,根据力的等效原理,建立了零点校正及重力补偿的计算模型,计算零点校正及重力补偿参数,提出了一种六维力传感器的零点校正及重力补偿方法。在此方法下,仅需最少3个不同的机器人姿态信息及相应的六维力信息,即可得任意机器人姿态下对力传感器及末端执行器进行零点校正及重力补偿所需的参数。在静态实验中力和力矩平均相对误差均分别仅为2.07%和1.35%,在动态实验中分别仅为1.50%和0.75%。在实际恒力控制实验中,与采用未经重力补偿相比,经过补偿后能使机器人系统获得更好的力跟踪效果。     

基于RobotStudio水槽打磨机器人工作站仿真设计

为解决不锈钢水槽四边焊缝自动打磨问题，基于SolidWorks设计了机器人末端执行器等设备，并基于RobotStudio搭建由砂带打磨机、IRB4600机器人、末端执行器等设备组建的水槽打磨机器人工作站仿真平台。根据不锈钢水槽的实际工况设计打磨工艺流程和规划打磨路径，创建打磨工作站的Smart组件并关联常用的I/O信号。利用TCP轨迹跟踪功能以及碰撞监控功能检验各个轨迹点及运动轨迹是否满足工作要求，调用计时器记录打磨时间。在仿真平台中通过离线编程仿真调试可以得到理想的打磨轨迹，供实际运行使用，有利于提高现场编程加工效率，提高焊缝打磨质量。     

机器人曲面抛光末端VCM力迭代学习控制研究

针对曲面元件机器人抛光过程中的柔顺控制和响应速度问题，研究一套机器人抛光柔顺控制系统。采用切片算法完成抛光轨迹规划以控制机器人顺应曲面元件表面低频段轮廓与曲率变化，设计一种力控末端执行器达到主动力输出和高速响应要求，提出基于迭代学习控制的电流迭代优化控制策略使执行器中音圈电机输出力以高精度跟随目标力，减小元件表面中高频段波纹度与表面粗糙度。搭建以机器人、力控执行器、六维力传感器、运动控制卡为核心部件的实验平台。仿真与实验结果证明所设计柔顺控制系统力控性能良好，力平均响应时间为55.4 ms,力跟踪误差小于3 N,能够满足曲面元件抛光加工需求。     

基于AMEsim和Simulink的电液位置/力混合控制仿真研究

为了满足某水下电液位置控制系统的特殊应用要求,设计了位置/力Fuzzy混合控制器.利用AMEsim和Simulink联合仿真技术建立了该电液位置控制系统模型,论述了一种位置/力混合Fuzzy控制策略的实现以及Fuzzy控制器的设计过程,进行了电液位置伺服系统的控制仿真.仿真结果表明了位置/力混合Fuzzy控制器对于系统控制的有效性和鲁棒性.     

基于主动柔顺控制的工业机器人直接示教研究

为了实现机器人的直接牵引示教功能,对机器人直接示教问题进行了研究,在ER6C60工业机器人上开发了基于拖曳的机器人直接示教系统。机器人直接示教系统采用了基于位置调整的主动柔顺控制方法,能够通过力/力矩传感器检测操作者的示教牵引力,将力坐标变换后的力信号转换为机器人末端执行器位置的调整量,实现了机器人的顺应性跟踪控制。上位机采用基于VC++的网络编程实现了机器人直接示教功能。实验结果验证了机器人直接示教系统的有效性和通用性。     

非线性不确定机器人复合滑模非脆弱H∞位/力控制

针对非线性不确定机器人面临参数不确定性、控制器增益摄动及外界干扰的问题，在其终端受环境约束的情况下，提出一种基于多项式平方和(sum of squares, SOS)理论的复合滑模非脆弱H_∞(composite sliding non-fragile H_∞,CSNH)位/力控制策略。首先，建立了机器人降阶动力模型和误差状态空间模型。其次，根据所提的复合位/力滑模面，基于Lyapunov稳定性理论设计一种具有H_∞扰动抑制的非线性变参数滑模非脆弱状态反馈控制器，给出控制器存在条件和求解方法。仿真结果表明，CSNH控制能够在不确定性和外部干扰作用下，使机器人快速、精确地跟踪位/力指令，体现出了良好的鲁棒性、抗干扰性及非脆弱性。     

基于蒙特卡洛法的机器人无碰撞工作空间求解

为研究末端执行器对机器人实际工作空间的影响,以及机器人关节之间、末端执行器与机器人关节之间的碰撞对机器人工作空间的影响,文章以6自由度工业机器人为研究对象,研究获取带末端执行器的机器人无碰撞工作空间。提出采用蒙特卡洛法随机生成大量机器人关节转角值,并用这些关节转角值更新机器人虚拟样机的模型位置姿态,然后采取混合包围体层次树碰撞检测算法判断机器人自身关节及末端执行器与机器人关节之间是否发生碰撞来分析机器人的无碰撞工作空间,获取工作空间中的碰撞点,得到机器人的无碰撞工作空间。结果表明本文提出的方法能够有效获取带末端执行器的机器人无碰撞工作空间。     

基于旋量理论的打磨机器人位置精度分析

为建立各误差源与打磨机器人的末端位置误差的对应关系,在基于旋量理论建立了打磨机器人的运动学模型的同时,对可能产生的主要误差源进行了分析,通过误差源之间的几何关系建立误差旋量,从而得到静态误差模型;分析了各单项误差对机器人末端执行器位置误差的影响及各误差源对末端位置误差的显著性影响,为机器人精度优化方案的提出提供可靠的分析参考。分析结果表明:结构误差及传动误差是机器人静态位置精度的主要影响因素,其中结构误差为稳态误差,可以通过精度设计减小或补偿,传动误差需要通过后期的标定来解决。     

七轴冗余机器人逆向运动学混合快速求解算法北大核心

传统数值法在求解七轴冗余机器人逆向运动学问题上易受末端位姿初值的影响,求解精度通常不高,无法满足工业生产要求。针对上述问题,提出了一种综合雅克比伪逆法和循环坐标下降法的混合快速算法来提高求解精度。首先,在已知末端执行器目标位姿的前提下,利用雅克比矩阵法获得冗余机器人关节角的近似解;其次,将关节角近似解作为循环坐标下降法的初始值,采用基于前向递归算法进一步挖掘潜在的最优关节角解,使得冗余机器人末端执行器趋近目标位姿;最后,通过逆解仿真算例对所提算法的有效性进行了验证,结果表明混合快速算法的求解精度能达到10^(-6),求解时间可控制在0.5 s以内,具有较好的逆向运动学求解质量与求解效率。     

基于状态观测器的空间机器人滑模容错控制北大核心

研究了具有执行器故障的漂浮基空间机器人系统无速度反馈的关节轨迹跟踪控制问题,设计了基于状态观测器的神经网络积分滑模容错控制方案。首先,根据执行器故障类型建立执行器故障的数学模型,并结合拉格朗日法建立了执行器故障的空间机器人系统动力学方程;其次,为实现控制器的无速度反馈,设计了状态观测器对系统速度进行估计,并结合神经网络提高估计精度;再次,根据滑模控制理论设计了积分滑模控制器,通过神经网络补偿执行器故障的影响,并设计自适应律补偿神经网络的估计误差,保证了控制器的连续性与非奇异性,使系统获得良好的轨迹跟踪精度和容错能力;最后,通过李雅普诺夫方法证明了控制方案的稳定性,并通过MATLAB数值仿真运算,验证了控制方案有效性。     

终端盒体抛光装备控制系统设计

为了实现纵场磁体馈线系统终端盒体的自动化抛光打磨,设计了一套机器人抛光打磨装备。针对盒体表面粗糙、焊接后形变量大的特点,设计了三种表面加工工艺,并配备了与之对应的执行装置。三种执行器通过快换盘实现自动化快换,工艺流程依序进行。控制系统以PLC作为控制器,根据PLC的控制指令,机器人调用相应的加工程序,快换盘取放执行装置,实现不同工艺。打磨力是抛光打磨的主要工艺参数之一,该设备集成了自主研发的力调节装置。PLC通过数字I/O与力调节装置通信实现加工过程中对接触力的有效调整。工控机作为人机交互设备与PLC通过以太网进行通信,方便操作人员操控盒体抛光打磨装备。