合作机器人的控制策略及实验研究

为了实现合作机器人（cobot）与人直接合作,根据其特性,建立了cobot不完全约束关节机构的模型和它的控制模型,提出了cobot的控制策略,并对cobot跟踪直线和圆弧轨迹进行了实验研究。研究结果表明,该控制策略是可行的,能在人机合作的条件下使cobot跟踪期望轨迹,并不会因为机器人的失控而伤害操作者,可满足人机合作的要求。提出的cobot控制策略可以应用于外科手术、物料搬运和零件装配的合作机器人中。     

不同重力环境下的柔性关节空间机械臂自适应鲁棒控制

研究了柔性关节空间机器人在不同重力环境下的轨迹跟踪控制。首先建立了地面重力环境下和空间微重力环境下的柔性关节机器人模型,这两个模型均考虑了摩擦带来的影响,然后提出一种基于奇异摄动理论的自适应鲁棒控制柔性关节空间机械臂的方法。该方法为被控对象中的重力项设计了自适应律来实时估计补偿,并加入鲁棒项对逼近误差和其它干扰项进行补偿。用该方法设计了控制器系统,并对其进行了稳定性分析和仿真研究。仿真结果表明,该控制器可以有效消除重力环境变化带来的影响,也可以有效抑制柔性关节引起的系统高频谐振等问题,具有很好的跟踪效果,对柔性关节空间机器人的轨迹跟踪控制具有重要的工程应用价值。     

模块化六自由度机器人运动学标定与实验研究

针对自主研发的模块化六自由度轻载搬运机器人,使用激光跟踪仪并采用直接标定法进行了运动学标定与实验研究。采用D-H法构建了机器人连杆坐标系和机器人运动学模型,并运用微分变换的方法建立误差模型。通过激光跟踪仪测量机器人末端位置,将其与运动学模型求解得到的机器人末端位置进行比较,验证了误差模型的正确性。然后将误差模型计算得到的机器人连杆参数误差在机器人控制系统软件中进行修正。最后利用激光跟踪仪测量机器人的关节转角间隙误差,将误差值转换成脉冲数并在软件中进行补偿。机器人运动学标定实验表明,使用激光跟踪仪进行连杆参数误差补偿和关节转角间隙误差补偿可以明显的减小绝对定位误差,绝对定位误差降低了69.6%,定位精度有了明显的提高。     

基于CAN总线通讯的四足机器人关节电机控制

针对四足机器人关节电机的参数优化问题,首先设计了电机负载下的单关节控制系统的动力学模型并规划控制策略,通过CAN总线通讯来实现对电机的控制,最后对关节电机的位置增益与速度增益进行合理调控与参数优化.实验结果表明,在位置增益等于20、速度增益等于1.8时可以实现对单关节控制系统的最优控制.     

无外部传感器的机器人碰撞检测

为了保证机器人在交互过程中的安全性,同时提高碰撞检测的性价比和降低系统复杂性,本文在无需外部传感器(sensorless)的情况下,通过检测机器人各关节电机电流间接实现机器人与环境之间的碰撞检测.提出了一种机器人碰撞力计算模型,并给出了模型所用的通用6R机器人雅克比矩阵的求解方法.针对直接通过碰撞力检测碰撞会引入加速度噪音干扰的问题,提出了基于机器人能量变化机理的碰撞检测算子,该碰撞检测算子不需要计算加速度,只需要关节扭矩、位置和速度即可计算,但该算子不能应用于机器人速度为0的情况.本文在REBot-V-6R-650实验平台上进行了碰撞实验,实验结果表明,该碰撞检测方法可以安全有效地检测出碰撞,即在造成伤害之前就能检测出碰撞.     

基于人体动作识别的类人机器人动作模仿

基于模仿学习以及人机交互技术,借助Kinect深度相机传感器对类人机器人上半身动作模仿问题进行了研究。首先,将改进的D-H模型应用于NAO机器人的手臂完成了手臂运动学模型的精确建立及求解,解决了传统建模方法两相邻关节平行时出现的奇异性问题。其次,提出了一种改进的基于深度图像的手势识别算法,完成了对于示教者手势的判定及模仿,与传统基于彩色图像的手势识别相比,不受光照影响的同时提升了识别准确率,改进算法的平均识别准确率达到96.2%。最后将NAO机器人作为试验平台的实验表明:NAO机器人对于示教者上半身动作的实时在线模仿运动轨迹平滑且稳定,并且在抓取实验中也显现出了较好的准确性。     

基于顺应性跟踪控制的工业机器人直接示教系统

研究了机器人直接示教问题,开发了St(a|¨)ubli TX90工业机器人的直接示教系统。该系统采用一种基于速度调节的顺应性跟踪控制方法,因而能够通过力控制器调节机械臂末端执行器参考速度,实现机械臂对牵引力的顺应性跟踪;同时定周期采集并存储机械臂运动轨迹,通过Douglas-Peucker矢量数据压缩算法去除冗余轨迹点,生成示教轨迹。基于VAL3机器人语言编写了直接示教程序模块,并嵌入St(a|¨)ubli工业机器人示教系统。最后,通过试验验证了所设计直接示教系统的有效性。     

一种开放式通用机器人控制器的研究与设计

介绍了一种面向多关节机器人的开放式通用控制器。它基于PC平台、其硬件以DSP数字处理器,构成运动控制卡,可方便地在ISA总线上进行扩展,实现多轴伺服控制。软件采用模块化设计,C语言编程,实现了示教盒菜单模式下的汉化操作。该控制器在硬件和软件方面都具有良好的开放性和通用性,扩展性,可移植性强,适用于不同的关节型示教再现机器人。     

基于LabVIEW的机械臂控制与图像处理示教平台设计

本文设计一种基于LabVIEW的机械臂控制与图像处理示教平台,使用六自由度机械臂进行拖动示教功能演示,并设计基于MATLAB的GUI界面进行图像处理演示。实验证明：该平台能实现多种环境的拖动示教演示,进行单舵机运动、多舵机同时运动、机器人动作组重复运动等,增加了图像处理示教功能;同时,将多门学科融合,在测控技术与仪器、机器人工程等专业开展示教及综合实验,提升了学生的创新实践能力。     

利用三视图与轴测图的机器人图形示教法

图形示教是机器人离线编程系统中的一种编程方法。本文通过三视图与轴测投影图两种方法解决了在二维计算机屏幕上对机器人进行定位,定姿的示教问题。文中分别介绍了三视图、轴测投影图、轴测次投影图的形成及在三种投影中空间点三维坐标的输入技术、示教方法。此方法在实验机器人上通过了模拟验证。     

两栖仿海龟机器人动力学建模与运动控制研究

为了提高两栖仿海龟机器人行走的稳定性,对其进行动力学建模,并基于PID (proportional integral derivative,比例积分微分)反馈控制策略提出了一种力/位控制模型。首先,根据机器人的运动学模型,得到了支腿的变换矩阵和雅可比矩阵,并利用虚功原理建立了足端与液压缸之间的力传递模型。然后,利用拉格朗日法对机器人进行动力学建模,推导了支腿的动力学方程,同时进行了动力学仿真,并将实时的足端受力导入动力学方程进行计算,验证了动力学模型的正确性。最后,搭建了液压仿真模型,并在ADAMS-AMESim-MATLAB联合仿真环境中开展了机器人运动仿真。仿真结果显示：与纯位置控制模式相比,力/位控制模式下机器人膝关节的转动更加平稳,液压缸的动力输出更稳定且功耗更小。研究结果对提高机器人运动的稳定性、增强运动控制系统的鲁棒性和提高液压系统的总效率具有借鉴意义。     

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。     

Joint position-based impedance control with load compensation for robot arm

As part of compliant motion control for a robot arm, the force sensor is usually installed at the wrist of the robot arm to measure the force/moment caused by the external force and the load (the end-effector and the extra object). The robot arm will fail to achieve the desired compliance if the effect of the load is not considered. In this study, a strategy of joint position-based impedance control with load compensation method for the robot arm is proposed, even if the load is unknown. It will distinguish between the external force and the gravitational effect of the load in compliant motion control. Experimental results show that the proposed control method can successfully remove the effect caused by the load, and the robot arm performs compliant motion correctly, in accordance with the impedance characteristic.     

不同工况下含间隙铰链接触碰撞力特性研究

为了更加准确地研究不同工况环境对含间隙铰链接触碰撞力的影响,以提高空间机构的运行及空间指向精度,基于分型理论、Lankarani-Nikravesh模型及宏微观理论,考虑摩擦与微凸体间的阻尼等因素,得到了新的含间隙旋转运动副元素间接触碰撞力模型,并通过试验验证了该模型的正确性.采用单一因素试验法,研究了转速、间隙、不同...     

轮式爬壁机器人转向稳定性研究

针对四轮爬壁机器人在铅垂壁面上转向失稳的问题展开研究。首先,基于机器人驱动轮与铅垂壁面相互作用的赫兹接触理论,提出了一种机器人摩擦力模型,利用线性积分算法求解出机器人驱动轮转向过程中的纵向摩擦力、横向摩擦力和转向阻力矩;然后,通过机器人动力学建模,推导出转向过程中的驱动力矩关系式,并利用MATLAB仿真得出不同转弯半径、不同磁吸附力和不同负载质量所对应的驱动力矩值随转向角近似呈正弦变化趋势。最后,进行了机器人转向稳定实验,结果显示驱动力矩的实测值与仿真值基本吻合。仿真和实验结果表明,控制转弯半径为0 m、调节磁吸附力为1 000 N和限定最大负载质量为27 kg,能够保证机器人转向稳定,有效解决轮式爬壁机器人转向失稳的问题。研究结果可为四轮爬壁机器人的路径规划和转向稳定性控制提供理论依据。     

含弹簧阻尼装置空间机器人捕获卫星操作力学分析及缓冲、柔顺控制

为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程;基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程,且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算;针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案;通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。     

采用模糊逻辑的半主动摩擦阻尼器对偏心结构的振动控制

采用在结构水平双向设置半主动摩擦阻尼器的方法，对偏心结构在多维地震动作用下的振动控制问题进行了研究。首先运用时程分析法，确定小震作用下摩擦阻尼器较优的初始起滑力。然后在建立起半主动控制策略的基础上，利用Takagi—Sugeno型模糊逻辑调节作用在半主动摩擦阻尼器上的正压力，实现对偏心结构的振动控制。数值结果表明，采用这种方法对减小结构的平动反应和扭转反应都能起到较好的控制效果。     

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究间隙运动副对机构动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用的修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入到系统动力学模型中,进行了动力学仿真分析,研究了不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行了对比分析。结果表明：基于文中改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。     

基于自动包装码垛技术的码垛机器人研究

目的为了更全面地了解码垛机器人的使用性能,使其更好地应用于工程实践中,对其动力学进行理论及仿真分析。方法采用第2类Lagrange方程对工业码垛机器人进行动力学方程计算,并运用ADAMS软件建立工业码垛机器人虚拟样机模型,考虑负载及关节转动时的摩擦,依照码垛机器人的循环工作流程进行仿真分析。结果得出了码垛机器人的动力学方程组,码垛机器人的动力学方程与机器人的负载、部件的结构质量、运动时的加速度等具有正相关关系。仿真得到了机器人工作过程中各个关节的受力曲线图,各关节所需驱动力及力矩随着负载的增加及末端执行器的位置变化而不断增加和变化。结论仿真结果验证了动力学理论分析的正确性,为工业码垛机器人的驱动部件的选型及控制系统的设计提供了有效的理论依据,为工业码垛机器人大范围走向工程应用实践提供了有力的技术支持。     

基于粒子群算法的6自由度机械臂动力学模型参数辨识

提出了基于粒子群优化(PSO)算法的工业机器人动力学参数辨识方法。首先利用改进的牛顿-欧拉方法,建立考虑关节摩擦的机械臂线性动力学模型,然后引入PSO算法,建立基于PSO算法的估计未知动力学参数的算法,最后以UR工业机器人为实验对象,通过设计激励轨迹,激励工业机器人关节运动,并对关节运动参数进行采样,实现UR工业机器人的动力学参数估计,并根据力矩预测精度验证动力学模型。实验证明了所提出算法辨识工业机器人动力学模型参数的准确性和有效性。