三自由度苹果采摘机器人本体设计

目前绝大部分应用在水果采摘上的关节型机器人控制复杂,成本高,而且采摘效率低,设计结构简单的采摘机器人是研究的重点。针对苹果种植的园艺特点和关节型采摘机械臂的不足,设计了一套基于圆柱坐标的三自由度苹果采摘机器人本体结构。控制系统采用基于PC&MP2100的分布式控制方案,阐明了机器人作业流程,编写了采摘控制程序,控制中引入模糊PID和偏差耦合同步控制方法,并基于C#,开发了人机交互界面。在实验室对机械臂进行了单轴调试、多轴同步调试、运动耗时和定位精度试验,结果表明采摘机械臂单次运动时间平均为6.619 s,平均运动误差值只有4.929 mm,相比关节型机械臂减少了耗时,降低了成本并且提高了定位精度和采摘效率。     

基于UR5苹果采摘机械臂的运动学分析及轨迹优化

随着苹果种植面积的不断扩大,传统的人力采摘方式已无法满足生产需求,为此,需积极推进苹果采摘机器人的研发与应用。传统的点对点运动控制会导致机械臂运动不平稳,严重影响采摘效率,因此,以UR5机械臂为研究对象,提出了利用标准D-H参数法解决UR5机械臂的正逆运动学问题,以关节最大速度为约束,结合五次多项式优化机械臂各关节轨迹,使各关节的轨迹平滑,实现机械臂的平稳运动。     

基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计

机械臂是多臂机器人的重要组成部分,针对基于姿态识别控制及位置识别控制系统受到被控量振荡影响,而导致机械臂运动轨迹控制不精准的问题,提出了基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计;基于FuzzyP控制系统,找到系统控制平衡点,设计系统硬件结构包含3个机械臂,共十八个自由度,简化关节控制器连线,选择直流有刷电机,采用增量型编码器,设计H桥电路,配合74ACT244增强驱动电路,利用NRF24L01无线模块获取与处理位置信息;使用FuzzyP控制器,抑制被控量振荡,控制连杆运动,完成多臂机器人机械臂控制方案设计;由实验结果可知,该系统轨迹与预期轨迹基本一致,较好解决多臂机器人机械臂对接精确定位要求。     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

基于D-H法的农业采摘机器人运动协作控制系统设计

为提升农业采摘机器人运动协作控制性能,降低机器人碰撞概率,利用D-H法优化设计机器人运动协作控制系统。改装位置、力矩以及碰撞传感器设备,优化运动协作控制器与驱动器,调整系统通信模块结构,完成硬件系统的优化。利用D-H法构建农业采摘机器人数学模型,在该模型下,利用传感器设备实现机器人实时位姿的量化描述,通过机器人采摘流程的模拟,分配机器人运动协作任务,从位置和姿态等多个方面,确定运动协作控制目标,经过受力分析求解机器人实际作用力,最终通过控制量的计算,实现农业采摘机器人的运动协作控制功能。通过系统测试实验得出结论：与传统控制系统相比,机器人位置、姿态角和作用力的控制误差分别降低了约40mm、0.2°和1.2N,在优化设计系统控制下,机器人的碰撞次数得到明显降低。     

基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制

为实现对多自由度机械臂关节运动精确轨迹跟踪,提出一种基于非线性干扰观测器的广义模型预测轨迹跟踪控制方法。针对机械臂轨迹跟踪运动学子系统,采用广义预测控制（Generalized Predictive Control,GPC）方法设计期望的虚拟关节角速度。对于机械臂轨迹跟踪动力学子系统,考虑机械臂的参数不确定性和未知外界扰动,利用GPC方法设计关节力矩控制输入,基于非线性干扰观测器方法实时估计和补偿系统模型中的不确定性。在李雅普诺夫稳定性理论框架下证明了机械臂关节角位置和角速度的跟踪误差最终收敛于零的小邻域。数值仿真验证了所提出控制方法的有效性和优越性。     

基于改进灰狼算法的机械臂力矩最优轨迹研究

针对求解机械臂关节驱动力矩最小化问题，提出一种改进灰狼算法（GWO）对机械臂关节驱动力矩进行优化。首先，以五次多项式对机械臂进行轨迹插值，以机械臂各关节的角度、角速度、角加速度为约束条件，以各关节最小驱动力矩均值和为目标函数，建立了I力矩最优轨迹规划问题的数学模型；其次，为提高传统灰狼算法(GWO)的性能，提出了一种基于非线性控制参数策略的改进灰狼算法，用GWO对I机械臂运行轨迹进行优化求解，得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径，并与GWO、粒子群算法（PSO）进行对比。仿真实验表明，GWO收敛时间更短，所得最优力矩和更小，且规划出的机械臂各关节角度、速度曲线光滑、加速度曲线连续，验证了该力矩优化方法的有效性。     

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。     

基于双向LSTM神经网络的机器人机械臂智能轨迹控制系统

针对机械臂智能轨迹控制易受其不确定性与外部扰动影响的问题,设计基于双向LSTM神经网络的机器人机械臂智能轨迹控制系统,实现对机器人机械臂轨迹的实时控制,使其能够快速响应环境变化和执行新任务。利用远程控制模块输入用户设定的机械臂运行参数;主控制模块的主控单元利用双向LSTM神经网络,估计机械臂的不确定性数据,并依据用户设定的相关参数,结合自适应滑模控制器,设计机械臂智能轨迹复合控制律,由主站通讯板卡传输至伺服模块;伺服模块接收智能轨迹复合控制律后,利用伺服驱动器启动直流力矩电机,按照复合控制律驱动机械臂运动,完成机械臂智能轨迹控制。实验证明：该系统可有效完成机器人机械臂智能轨迹控制,且控制后的运行轨迹与设定轨迹非常接近;经过控制后的机械臂关节角度变化曲线较平滑,且连续,具备较优的智能轨迹控制效果。     

基于STM32的力反馈型康复机器人控制系统设计

研究了一种基于STM32的力反馈型康复机器人控制系统的设计。采用位置传感器和扭矩传感器检测康复机器人机械臂的位置信息以及机械臂与患者的相互作用力信息,将位置信息与作用力信息送入基于ARM-M3内核的STM32微控制器进行处理,从而实现康复机器人中驱动电机的控制。该系统硬件处理电路包括了扭矩信号的信号调理单元、微控制器控制单元、电机驱动单元以及USB接口单元。经实验验证,本系统可以实现康复机器人的平稳安全的控制。     

基于三阶超螺旋滑模观测器算法的机器人力矩估计方法

本文研究了六自由度(6-DOF)机器人关节力矩估计问题.为了提高机器人关节力矩估计精度,本文设计了一种三阶超螺旋滑模关节力矩观测器.在对观测器系统进行稳定性分析时,本文设计了一种新的Lyapunov函数证明了观测器闭环系统的稳定性.与已有的机器人力矩观测器结果不同,该力矩观测器仅以机器人关节角度作为观测器输入信号,减少了对机器人系统信息的依赖.最后,以6-DOF工业机器人为对象,开展实验验证.实验结果表明,与传统线性力矩观测器相比,本文提出的滑模力矩观测器估计误差小,验证理论的正确性.     

A Position and Torque Switching Control Method for Robot Collision Safety

With the increasing number of human-robot interaction applications, robot control characteristics and their effects on safety as well as performance should be taken account into the robot control system. In this paper, a position and torque switching control method was proposed to improve the robot safety and performance, when robots and humans work in the same space. The switching control method includes two modes, the position control mode using a proportion-integral (PI) algorithm, and the torque control mode using sliding mode control (SMC) algorithm for eliminating swing. Under the normal condition, the robot works in position control mode for trajectory tracking with quick response. Once the robot and human collide, the robot will switch to torque control mode immediately, and the impact force will be restricted within a safe range. When the robot and human detach, the robot will resume to position control mode automatically. Moreover, for a better performance, the joint torque is detected from direct-current (DC) motor’s current rather than the torque sensor. The experiment results show that the proposed approach is effective and feasible.     

移动机器人的免疫非时间参考路径跟踪控制

针对移动机器人非时间参考控制方法的不足之处,借鉴生物免疫反馈响应过程的调节规律,提出了移动机器人的免疫非时间参考路径跟踪控制方法。该方法既有不依时间规划调节输出控制的特性,而且充分考虑到机器人机械结构与电机力矩特性的要求,实现了在误差较大时对控制量的限幅;通过选取合适参数,还能减小系统的超调量,进一步改善整个控制系统的性能。对于动态事件,采用插入算法,提高机器人对动态环境适应能力,使控制方法更适宜实际应用。仿真与实物实验,验证了该方法的有效性。     

矢量场逐次逼近的康复机器人柔顺交互控制

为了实现康复机器人的主动柔顺交互,提出了一种基于矢量场逐次逼近的控制模型;设计了矢量场逐次逼近系统,可输出机器人关节期望位移,该输出能与输入的扭矩、表面肌电及脑电等信号在振幅、频率和相位上保持同步,且通过调节遗忘因子参数值,可改变主动柔顺交互的积极性;利用自行设计的穿着型下肢康复机器人样机进行柔顺辅助实验,以验证所提出控制模型的有效性;通过FFT（Fast Fourier transformation）频谱对机器人关节扭矩的组成成分进行了分析,并采用基于最小二乘法的参数辨识方法实施了重力补偿,以便康复机器人实时控制.实验结果表明,该控制模型对于实现康复机器人与人之间的柔顺交互是有效的.     

Power Consumption Optimization for a Hexapod Walking Robot

Power consumption is one of the main operational restrictions on autonomous walking robots. In this paper, an energy efficiency analysis is performed for a hexapod walking robot to reduce these energy costs. To meet the power-saving demands of legged robots, the torque distribution algorithm required to minimize the system’s energy costs was established with an energy-consumption model formulated. In contrast to the force distribution method, where the objective function is related to the tip-point force components, the torque distribution scheme is based on minimization of the mechanical energy cost and heat loss power. The simulation results show that this scheme could reduce the system energy costs with use of the appropriate walking velocities and duty factors for the robot. The paper also discusses the effects of the gait patterns and the mechanical structure on the system energy costs. For this purpose, the prescribed periodic walking gait of the robot is described in terms of several parameters, including the duty factor, the stride length, the body height, and the foot trajectory lateral offset. The numerical results indicate some analogies between the characteristics of the simulated walking robot and those of animals in nature. The optimized parameters derived here are intended for robot platform development applications.     

位－力驱动的线驱连续型机器人的动力学建模及实验验证

提出了一种位－力混合驱动的线驱连续型机器人的动力学模型。首先,基于集中质量矩阵法进行机器人动力学建模,将机器人动能的连续积分等效离散为三点求和形式,可简化建模过程并提升仿真的计算效率。其次,分析了驱动力与驱动线几何约束的力学关系,将线驱动作用等效建模为电机的驱动参数与牵引线张力的线性方程组,不仅可以精确地满足牵引线对系统的约束条件,还可以在不使用拉力传感器的条件下得到线的驱动力,降低了机器人成本及控制难度,这种方法适用于任意数量牵引线的连续型机器人。最后,将线驱连续型机器人的仿真和实验结果进行对比,机器人末端点的轨迹最大误差为3.85%,验证了所提模型的有效性。     

On controlling robots with redundancy

Recently there has been considerable interest in increasing the applicability and utility of robots by developing manipulators which possess kinematic and/or actuator redundancy. This paper presents a unified approach to controlling these redundant robots. The proposed control system consists of two subsystems: an adaptive position controller which generates the Cartesian-space control force FR^m required to track the desired end-effector position trajectory, and an algorithm that maps this control input to a robot joint torque vector TRⁿ. The F → T map is constructed so that the robot redundancy (kinematic and/or actuator) is utilized to improve the performance of the robot. The control scheme does not require knowledge of the complex robot dynamic model or parameter values for the robot or the payload. As a result, the controller is very general and is computationally efficient for on-line implementation. Computer simulation results are given for a kinematically redundant robot, for a robot with actuator redundancy, and for a robot which possesses both kinematic and actuator redundancy. In each case the results demonstrate that accurate end-effector trajectory tracking and effective redundancy utilization can be achieved simultaneously with the proposed scheme.     

Preshaping input trajectories of industrial robots for vibration suppression

This paper presents several novel methods that improve the current input shaping techniques for vibration suppression for multi-degree of freedom industrial robots. Three different techniques, namely, the optimal S-curve trajectory, the robust zero-vibration shaper, and the dynamic zero-vibration shaper, are proposed. These methods can suppress multiple vibration modes of a flexible joint robot under a computed torque control based on a rigid model. The time delays for each method are quantified and compared. The optimal S-curve trajectory finds the maximum jerk to obtain the minimum vibration. The robust zero-vibration shaper can suppress multiple modes without an accurate model. The delay of the dynamic zero-vibration shaper is smaller than the existing input shaping techniques. Our analysis is verified both by simulation and experiment with a six degrees-of-freedom commercial industrial robot.     

Methods of Supervisory Remote Control over Space Robots

A method of constructing bilateral supervisory control over space robots, which ensures the robot’s system functions in the case of large transmission delays of control signals from the ground control center to the local space robot’s control system, is described. The conditions for the stability of manipulating a robot and a sufficiently high level of transparency are found. An original positionforce glove-like interface to control the robot’s manipulation is proposed, which ensures greater transparency of the kinesthetic interaction of the human hand with objects of the external environment than is the case with traditional interfaces in the form of a driving handle.