异构型遥操作系统的定位与接触控制研究

与同构型机器人遥操作系统不同,在异构型机器人遥操作系统中,操作者往往对目标物的精确定位和接触力的判断不足,当从机器人接触到外部环境时缺乏良好的临场感,导致操作精度不足。针对此类问题,该文提出了一种基于机器人工作空间转换与直接力反馈结构相结合的目标物定位与接触遥操作控制方法。该方法首先将机器人的关节空间转换到工作空间,再对异构型主从机器人不同的工作空间进行映射匹配,然后在直接力反馈式的遥操作结构下与力传感器共同作用,并辅以摄像机,使得操作者可以精确地操作远端环境中的机器人,从而准确地接触到目标物及获取目标物的位置,进一步准确判断从机器人在外部环境中所接触到的物体属性。该方法借助力反馈进行目标物定位与物体属性判断,较之复杂的机器人视觉标定方法更加简单易于操作,其有效性也在搭建的异构型机器人遥操作实验平台上得到了验证。     

遥操纵多自由度电液伺服并联机械手力反馈控制策略

针对遥操纵并联机械手的力反馈双向伺服控制中所存在的多自由度力、位移耦合问题,提出了新的双向伺服力反馈控制策略。该控制策略将与从动机械手接触的工作阻力大小和方向通过位置空间传递给主动侧,为操作者提供与从动侧完全相同的位置空间,将操纵手柄变为实现从动侧约束的设备,从而实现从动机械手工作阻力反馈。应用阀控液压缸和力、位移传感器构成的多自由度并联主从操纵手柄,构建力反馈双向伺服控制试验系统。针对新型控制策略进行了力、位置跟随性能试验。试验结果证明了该力反馈控制策略的有效性,改善了主-从控制系统的操纵性能。     

Research on Master-slave Telerobot Force Telepresence Technology

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅＴｅｌｅｒｏｂｏｔＦｏｒｃｅＴｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＡＩＨｅｇａｏＣＨＥＮＷｅｉｄｏｎｇＪＩＡＧｕｏｗｕＺＨＡＯＪｉｅ（蔡鹤皋）（陈卫东）（贾国武）（赵杰）（ＲｏｂｏｔＲｅｓｅａｒｃｈ...     

遥操作机器人执行末端的力反射型变增益力反馈算法

在以遥操作工程机器人执行末端为从端的力反馈双向伺服系统中,为了使主端受力真实地反映从端执行末端叉手所受的环境力,在力反射型算法的基础上,提出了一种变增益力反馈算法。根据机器人叉手的运动模型建立叉手液压缸位移与驱动力关系的数学模型,以此调节主端的力反馈控制增益。为了验证该算法的优越性,将该算法与常用的力反射型算法进行了比较实验。实验证明,该算法在保证系统稳定性的前提下,精确地反映了机器人叉手在运动中的惯性力和阻尼力所带来的影响,操作者可以更为真实地感知机器人从手所受环境力的变化,有利于系统工作性能的提高。     

具有临场感的主从机器人系统双边控制策略

针对主从机器人系统双边控制策略的透明性问题,利用电液比例阀控制液压缸建立了单自由度主、从机器人临场感实验系统。在力和运动的双边控制中,采用力反馈伺服型、并行型和改进并行型3种控制策略,对空载、小刚度弹性负载和大刚度弹性负载情况下的位置和力跟踪性能分别进行了实验。实验结果表明:力反馈伺服型、并行型的运动跟踪存在时间滞后,主手受力存在振动;与其他两种控制策略相比,改进并行型控制策略在小刚度和大刚度负载时具有较好的透明性。     

锻造操作机夹钳平行升降机构运动学特性分析

对锻造操作机机械系统进行运动学特性分析,研究执行机构的运动规律,是实现操作机夹钳末端位置精确控制的前提。本文分析了某典型锻造操作机夹钳平行升降机构的机构特征及运动学特性,得到了夹钳末端随升降缸运动的变化规律以及夹钳平行升降动作的运动学逆解方程。结合锻造操作机具体结构参数对夹钳平行升降逆解近似公式的精度进行了分析,提出了采用高次方程近似公式的方法,并给出了二次方程近似公式,研究结果对于提高操作机夹钳末端的位置控制精度具有一定的理论价值。     

一种位姿解耦的主操作手结构设计与优化方法

为提高医生对微创手术机器人主操作手进行操作时的一致性和灵活性,设计一种8关节串联型力反馈主操作手。从位姿解耦角度出发,通过一种双平行四边形结构实现位姿解耦,提高了主操作手在不同位姿下操作的一致性。利用改进后的D-H参数法和逆变换法,分别建立主操作手的正运动学和逆运动学模型,并从运动学角度验证了该位姿解耦策略的正确性。基于蒙特卡洛法,使用MATLAB编程,分析主操作手的最小工作空间。求解主操作手的雅可比矩阵,基于全域性能指标和全域性能波动指标定义了主操作手的综合运动性能指标,并以最小工作空间作为约束,用遗传算法对主操作手的运动性能和结构尺寸进行了分析与优化。结果表明:相比于优化前的初始设计,优化后主操作手的综合运动性能指标提高了15.32%,尤其是具备良好运动性能的工作空间体积增加到原来的3倍,已基本包含手术要求工作区域。主操作手在保证操作一致性和足够工作空间的基础上,具备了良好且稳定的运动性能。     

遥操作机器人系统带记忆的鲁棒控制

遥操作机器人系统的通信通道中存在通信时延,而且机器人模型存在不确定性,以致可能造成系统不稳定和操作性能降低。针对通信时延和系统不确定性,利用鲁棒控制理论,提出用力、位置和速度反馈的控制方法,使得系统稳定,且具有良好的透明性。仿真结果表明了该方法的有效性。     

基于模糊自适应和优化阻抗的双机器人力/位主从协同控制方法

多机器人协同作业广泛用于多机协同搬运、冲压、焊接等领域,具有更高的精度、更灵活的工况执行能力。协同系统的插补算法与力/位控制性能共同决定了协同作业的轨迹平滑性和稳定性,也直接影响着系统的承载性能与作业质量。本文主要针对双机器人协同搬运过程中的力/位控制技术,展开了深入研究。首先,分析了双机器人协同搬运工况的夹持特征和受力状态,建立了协同搬运系统的理想数学模型。接着,依据主从机器人二阶阻尼系统的数学模型,采用双机器人主从协同控制模式,分别设计力/位控制策略。提出主机器人采用基于理想位置的优化模糊自整定位置控制,从机器人采用基于主机器人位置偏差的优化细菌觅食算法的阻尼控制,并进行了控制模块的设计工作。然后,在MATLAB中编译了细菌觅食算法主体及其代价函数,在Simulink中搭建控制系统。最后,对整个控制器模块进行了联合仿真。仿真结果如下：主机器人的最大位置误差缩小到1.53mm,从机器人的最大力误差缩小到0.038N。从机器人追踪主机器人的位置误差控制在0.18mm内,且从机器人可在0.2s内快速修正主从速度偏差。仿真结果表明：相比常规PD控制,本文所述控制方法可减少约40%的最大追踪误差,且有效消除了力追踪过程中的过零振荡现象,提高了系统的实时追踪动态性能。     

基于气动人工肌肉机械手的研究

目前机械手普遍使用气缸,虽然可以实现对操作位置和作用力的有效控制,但是气缸响应速度慢,柔顺性差,不适合应用在医疗和福利领域。用柔性执行器气动人工肌肉为新型执行器构建气动人工肌肉机械手系统,特别是多自由度的平台,是气动方向一项新的研究内容。文章在现有研究工作基础上,对气动机械手系统进行研究,对系统的结构、电气路设计进行了详细描述。机械手系统的可行性与有效性得到了实验的证明。     

一类不确定遥操作系统的混杂控制

提出了一种基于自适应逆动力学和位置误差(PEB)结构的混杂控制方法,以克服动力学参数不确定性对遥操作系统透明性的影响。首先将操作者和环境模型分别融入到主、从机器人的动力学模型中;然后基于逆动力学设计自适应控制器,将其融入PEB结构,并利用李亚普诺夫函数法对系统性能进行了分析。仿真研究表明,该控制方案具有良好的位置和力跟踪性能。     

力觉临场感遥操作机器人(4):系统的操作性能评价

力觉临场感遥操作机器人系统是一种典型的人-机-环交互系统,临场感是遥操作的核心.如何评价力觉临场感遥操作机器人系统的操作性能即临场感程度,目前大多采用基于人机工效学的主观评价分析方法.通过建立力觉临场感遥操作机器人系统的二端口网络模型,对操作者在遥操作过程的感知和控制行为进行了分析,给出了虚拟阻抗的定义,以此为基础提出了可定量评价系统操作性能即力觉临场感程度的阻抗比较法.利用阻抗比较方法对现有的4种不同反馈控制结构遥操作机器人的操作性能作了分析与评价.     

三分支空间机器人的迭代运动学逆解

基于旋量理论指数积公式及空间雅可比矩阵,对三分支空间机器人逆运动学求解问题进行了研究,提出了一种通用的三分支机器人逆解迭代算法,并建立了统一的逆运动学求解模型。对于具有球腕结构的三分支机器人,给出了位姿解耦形式的简化算法。该算法较速度级控制法计算精度更高,且不依赖于机器人的构型,适合于构型不确定的模块化机器人。通过搬运物体的仿真试验,验证了算法的有效性。     

Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method

The synchronous tracking control problem of a hydraulic parallel manipulator with six degrees of freedom (DOF) is complicated since the inclusion of hydraulic elements increases the order of the system. To solve this problem, cascade control method with an inner/outer-loop control structure is used, which masks the hydraulic dynamics with the inner-loop so that the designed controller takes into account of both the mechanical dynamics and the hydraulic dynamics of the manipulator. Furthermore, a cross-coupling control approach is introduced to the synchronous tracking control of the manipulator. The position synchronization error is developed by considering motion synchronization between each actuator joint and its adjacent ones based on the synchronous goal. Then, with the feedback of both position error and synchronization error, the tracking is proven to guarantee that both the position errors and synchronization errors asymptotically converge to zero. Moreover, the effectiveness of the proposed approach is verified by the experimental results performed with a 6-DOF hydraulic parallel manipulator.     

自适应双电机同步传动控制技术的研究

双电机同步传动是龙门移动式镗铣加工中心的关键环节，在研究中采用自适应控制技术，通过检测从动轴状态和主动轴状态之间的误差，经过自适应律产生的反馈作用来修改主动轴和从动轴控制器的参数，产生辅助控制量，使其在速度上保持一致，驱动元件采用直线永磁伺服电机，以发挥其高速动态响应能力，仿真结果表明，此种控制方案具有鲁棒性强，同步误差小的优点。     

遥操作工程机器人改进力反馈控制方法

针对力觉临场感遥操作工程机器人双向液压伺服控制系统,在采用p-f型控制结构时,容易产生反馈力冲击问题,提出了基于T-S型模糊推理逻辑构造一个非线性模糊变增益力反馈系数,构成改进的力反馈控制方法。设计了RBF-PID型参数可调控制器,形成双向液压伺服控制系统,通过实验验证了改进方法的有效性。实验结果表明,改进的力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手连续的跟随从手受力情况,减小了反馈力冲击现象,增加了力反馈的平顺性。提高了力反馈遥操作工程机器人系统的操作性能和透明度。     

移动机械手的整体运动学建模与控制

移动机械手由一个机械手固定安装在一个移动平台上构成。移动平台和机械手的不同物理特性使移动机械手的建模和协调控制成为机器人领域的难点之一。本文对移动机械手进行了运动学分析,给出了其整体运动学建模方法;针对移动机械手的非线性和强耦合特点,设计了PD反馈控制器;仿真实验证明该控制器具有良好的控制效果。     

面向目标变异的操作臂运动学优化设计

为满足机构设计过程中目标变异的要求,提出面向目标变异的操作臂运动学优化设计方法.在D H坐标系中,通过递推齐次变换获得操作臂末端执行器相对于基础坐标系的位姿,基于拉格朗日插值多项式的数值微分表达式,建立非数值集合的映射规则,在已有设计目标的基础上获得变异目标的显式表达式.将多维连续设计变量离散为网格,再将模拟退火机制引入蚁群算法,用在给定温度下服从波尔茨曼(Boltzmann)分布的随机热摄动表示蚁群在位置间的转换概率,求解多目标变异表达式,基于模糊集从帕雷托(Pareto)前沿选优,最终使末端执行器在特定轨迹上进一步满足运动学特性.开发了自主原型系统,实现了单环开链6R操作臂的运动学优化设计.结果表明,该方法有助于快速实现机构变异设计目标的表达、解析及选优,对于其他复杂机械产品的设计也具有参考意义.     

遥操作工程机器人力觉双向伺服控制系统

针对并行机构的力反馈双向液压伺服控制中所存在的反馈力冲击大及位置跟随差的问题,提出了一种以主、从手之间的力偏差作为主动端控制信号,位置偏差和力偏差形成从手控制量的改进并行型力觉反馈控制算法;结合遥操作工程机器人主从控制的特点,建立了该算法的动力学模型;搭建并分析了两自由度双向伺服控制实验系统。实验结果表明,该控制算法明显改善了主、从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点。     

遥操作空间机器人系统研究

阐述了具有两种基本工作方式的遥操作空间机器人系统的原理和结构。在主从方式下,根据时延大小的不同,有双向力反馈遥操作和基于图象仿真及局部自主的遥操作,使从手跟随主手完成较精细的动作;在自主方式下,能够自主地完成任务规划和避碰路径规划,把随意摆放的规则物体塔成目标结构。最后通过三个实验显示了系统的功能。