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.     

绳驱超冗余空间柔性机械臂遥操作系统设计与实验研究

针对绳驱超冗余空间柔性机械臂的运动特点和在大范围工作空间快速运动、避障及狭小空间作业和触碰情况下精细操作等在轨遥操作任务需求,设计并研制了适应多种工况的基于手控器和虚拟现实（VR）手柄组合的遥操作人机交互系统。对狭小空间作业和避障等工况进行分析,提出了基于自由度动态组合和末端―臂形同步规划的遥操作方法。最后,完成了穿越卫星太阳帆板狭缝的典型实验,实验验证了遥操作系统的工程实用性,以及柔性机械臂遥操作运动规划方法的可行性。因此,配合使用多种人机交互方式组合的遥操作系统和相应的运动规划方法,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。     

柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

基于广义扩张状态观测器的遥操作系统同步控制

针对机械臂遥操作系统中存在的时变时延问题,提出了基于广义扩张状态观测器的控制方法,实现了遥操作系统稳定并且主从机械臂关节角位置同步的控制目标。首先通过反馈线性化,将遥操作系统的主从机械臂动力学模型转化为一个关于位置跟踪误差和时延的状态空间模型。针对该多输入多输出的干扰不匹配模型,设计了广义扩张状态观测器和相应的控制律,从而消除了时变时延以及其它扰动引起的不确定性对系统的影响,并对系统进行稳定性和抗扰性分析。最后,通过仿真验证了所设计的控制方法的有效性。     

受限柔性机器人臂的鲁棒变结构混合位置/力控制

针对一类平面双连杆受限柔性机器人臂提出一种混合位置/力控制方案,采用鲁棒变 结构控制策略对控制方案进行修正,以改善该柔性机器人系统的鲁棒性,控制机器人终端执行 器的位置和接触力.通过引入变结构鲁棒控制器,可确保输出跟踪误差在有限时间内收敛到零, 或一致终结有界.计算机仿真结果证明了这种控制方案的可行性和有效性.     

基于时域无源性控制的六足机器人双边触觉遥操作

随着六足机器人研究工作的深入,针对其遥操作系统的开发面临诸多挑战.为了弥补松软接触条件对系统可控性及稳定性的影响,提出一种基于时域无源性控制(time-domain passivity control,TDPC)的六足机器人双边触觉遥操作方法.其主从两端采取位置-速度的交互模式,通过分析足-地柔性接触的作用机理,构建无源观测器和无源控制律以补偿足底滑移所导致环境系统的潜在有源性,采用速度跟踪模式设计基于触觉力反馈的系统控制架构,并利用Llewellyn准则确定控制律参数的稳定范围.最后,搭建半物理仿真实验平台并验证所提出的双边触觉遥操作方法在松软地形条件下能够保证六足机器人遥操作系统的稳定,且兼具较好的持续跟踪能力.     

基于细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器设计

进行机械臂角度控制器设计过程中,为提高机器人机械臂灵活性,降低关节角度控制误差,设计一种细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器。首先,构建机械臂动力学模型以获取机械臂的柔性特征及其关节位置,根据获取的信息确定角度控制器的硬件逻辑结构和算法。然后,使用ARM微处理器嵌入式操作系统,设计包含移动控制终端和机械臂控制端的控制器硬件结构。最后,采用细菌觅食算法优化控制器参数,并实现代码完成机器人机械臂角度的精准跟踪控制。仿真分析结果表明:所提方法具有较高的位姿跟踪精度、角度控制误差小、稳定性强,能够保证机械臂关节角度无超调,具有极高的机器工程应用价值。     

时滞柔性关节机械臂自适应位置/力控制

针对具有时滞的柔性关节机械臂自适应位置和力控制问题进行了研究.首先,通过坐标变换得出降维的位置/力控制模型.随后,将时间滞后近似表示成一阶滞后,进行时滞补偿.利用自适应算法修正机械臂系统参数,克服模型参数不确定性对系统的影响.同时,采用反步控制技术设计机械臂位置/力控制器,运用Lyapunov稳定性定理证明控制器能使机械臂位置和力跟踪误差收敛.最后的仿真研究验证了控制方案的有效性.     

基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法

针对力反馈遥操作中传统人工势场法无法适应于机械臂整体的避障以及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题,提出了一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。力反馈设备向操作者提供力觉交互。通过结合人工势场法和虚拟夹具,构建管道形虚拟力场,生成实时虚拟力引导,实现协助操作者完成从端机器人的整体避障任务并在完成避障后引导机器人返回预定义路径并趋近目标点。当进行抓取任务时,构建锥形虚拟力场,实现协助操作者操作机械臂到达目标位置和姿态。此外,提出了一种机器人运动限制方法以降低操作者的操作失误对抓取任务的影响。实验证明,该方法能有效提高目标抓取操作的成功率和操作效率。     

基于压电陶瓷的柔性机器人主动抑振控制策略研究

柔性机器人因其轻质、高效、低能耗等优点已被广泛应用于航空航天,工业制造等诸多领域。然而,柔性机构易产生弯曲变形,引起系统振动而大大降低机器人的工作精度。为提高柔性机器人的工作性能,多种抑振策略得以研究与应用。提出了基于压电陶瓷（PZT）的柔性机器人振动主动抑制策略。其中,PZT传感器和PZT制动器分别被用来检测和抑制柔性臂的振动。本文构建了基于PZT材料的单自由度柔性机械臂的理论模型,并获得了传感电压与制动电压的传递函数。设计了一个可变控制方案的抑振器以抑制系统在不同频率下的振动。在COMSOL中进行仿真,获得了系统的抑振率。根据仿真结果显示,柔性臂在前三阶振动下,臂的末端位移分别得到了57.04%,57.76%与58.96%的抑制;系统的动能得到了57.95%,71.19%与87.81%的抑制。