面向任务的机器人灵巧手控制系统及多指空间协调阻抗控制

为提高多指灵巧手的控制和操作性能,提出了基于集中控制-分层处理的DLR/HIT Ⅱ机器人灵巧手实时控制系统结构,并建立了基于Simulink/QNX的实时控制平台和嵌入式驱动控制层,极大地简化了高集成度机电一体化灵巧手的控制器设计过程,并实现灵巧手在多自由度仿机器人上的无缝连接,进行了多指灵巧手空间协调阻抗控制的研究,基于手指指尖位置建立了适用于任意手指数目n的机器人灵巧手物体空间坐标系,并基于六维空间虚拟弹簧的阻抗思想和关节力矩反馈实现了以被抓取物体位置和姿态为控制目标的多指灵巧手空间协调阻抗控制.在基于Simulink/QNX的实时控制平台上对DLR/HIT Ⅱ灵巧手进行了空间协调阻抗控制实验,实验结果表明了灵巧手控制软硬件系统和控制策略的有效性和稳定性.在未降低灵巧手自由度的前提下,将DLR/HIT Ⅱ多指灵巧手协调抓取操作的控制输入量由30个减为6个,为提高抓取规划算法效率提供了稳定高效的新型控制策略.     

On set-point tracking control of dexterous robot hand

A model-free set-point tracking control approach of multi-fingered robot hand is presented.The set-point tracking controller,which has the structural form of PD controller,is composed with a combination of feedforward term,feedback term and saturation control term.The controller does not require the explicit use of dynamic modeling parameters.Experiments performed on the HIT/DLR hand demonstrate the effectiveness of the proposed approach in performance improvement and real-time application.     

模块化嵌入式五指机器人灵巧手手指控制系统

为开发高度集成的五指机器人灵巧手,提出了采用DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gate Array)控制结构的模块化嵌入式手指控制系统设计方法。实现了采用单电流传感器检测全桥控制下相电流及相电流过流双保护。为解决手指DSP和FPGA之间如何稳定、高效通信的难题,结合先进先出FIFO(First In First Out)寄存器,设计了基于串行通信接口SCI(Serial Communications Interface)和RS485总线的多中断差分通信系统。实验证明,这种DSP+FPGA控制结构及模块化的设计,使得手指控制部分得以高度集成,同时DLR/HITII灵巧手获得很好的整体性能和稳定性。     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator(FPA),bending joint and side-sway joint,a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed.The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders.Mechanical parts and FPAs are integrated,which reduces the overall size of the finger.Driven by FPA directly,the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced.An improved adaptive genetic algorithm(IAGA) was adopted to s...     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

基于指尖位置的人手与HIT/DLR灵巧手运动映射

分别建立人手和HIT/DLR机器人灵巧手的几何模型,并分析两者之间的结构差异及其产生的运动映射问题.通过数据手套测得人手关节角度,利用人手模型和人手运动学关系计算得到人手指尖位置,通过改进的指尖位置的映射方法,将人手的运动映射到机器人灵巧手上,解决了人手运动空间和灵巧手空间不一致的问题.仿真试验结果表明该映射方法是有效和直观的,能满足对HIT/DLR机器人灵巧手遥操作的需要.     

一种水下灵巧手指端力测量方法的研究

为了实现水下灵巧手对物体安全的抓取和准确确定其在手指上的位置,需开发一种能同时测量出力的大小和位置的传感器,而且该传感器适应水下作业环境.文中采用水压力补偿技术,建立了基于圆筒式测力结构的水下灵巧手末端指节的结构模型.对该结构的测力原理进行理论分析,验证该结构的合理性并推导出测量原理方程.对末端指节进行标定实验,计算出标定矩阵.采用ATMEGA微控制器建立测量系统,在陆上和浅水环境中对该指节的力感知能力进行测试,结果显示在水下和陆上的测量结果一致,且测试精度满足目前水下灵巧手研究的要求.     

基于输出反馈线性化的机械手随动控制

为机械手线性化和随动控制设计了一种滑动模态扰动观测器.在观测系统状态的同时,估计由系统的非线性和模型的不确定性和外来的干扰所造成的广义扰动.它使非线性、强耦合的机械手系统可以仅靠关节角反馈实现线性化和解耦,且控制器的设计不依赖于机械手的精确模型.二连杆机械手仿真研究表明,在机械手荷载大范围变化的场合下,该控制器的随动控制性能优于采用全状态反馈线性化的控制器.     

不确定性空间机器人自适应Terminal滑模控制方法

分析了空间机器人本体质量变化和负载情况变化对系统动力学不确定性的影响,并针对空间机器人操作负载变化显著的特点,设计了一种自适应Terminal滑模控制方法。利用RBF神经网络在线学习系统的不确定性上界,系统状态始终保持在滑模面上,并能保证系统控制误差在有限时间内收敛。以两自由度空间机器人为对象,对不同负载情况的运动进行了仿真,结果表明这种滑模控制方法对系统负载变化不敏感,并能保证期望控制精度。     

血管介入手术主从导管机器人滑模控制

在微创血管介入手术中,主从遥操作导管机器人系统的通信时延以及参数不确定性很容易导致其稳定性下降,操作性及透明性降低.针对这一问题,建立了主从导管机器人系统的动力学模型,主手端采用滑模阻抗控制,从手端采用终端滑模控制,该控制方式降低了时延对系统操作性能的影响.通过系统轴向运动的仿真结果表明,该系统能够较好地实现从手对主手的位移以及力的跟踪,系统具有较强的鲁棒性和良好的透明性.     

手臂康复机器人阻抗控制实验研究

手臂康复机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍患者的辅助康复训练机器人,考虑到患者训练的安全性和舒适性,需要机器人有一定的柔顺性.对此,在控制模型中引入阻抗控制.建立并分析了手臂肌力训练模式目标阻抗控制模型,在此基础上进行了简化.建立了基于dSPACE实时仿真平台的半物理仿真实验系统,以回转关节为例,给出了不同控制参数下的力与关节角度曲线,分析了控制参数对控制效果的影响,结果表明控制模型的可行性和有效性.     

非完整约束下腿轮式机器人的路径跟踪控制

在分析一种腿轮式机器人运动原理的基础上,建立了机器人在非完整约束作用下的动力学模型并讨论了路径跟踪控制问题．由于机器人受到非完整约束,线性控制方法难以实现准确的路径跟踪,为此设计了基于滑模控制的路径跟踪控制器,实验结果证明了所提出控制方法的有效性．     

Design and modeling for a kind of humanoid dexterous hand with elastic palm

With dexterous hands, robots can improve the work scope and work ability significantly. As palms of the existing multi-hand robots are made of steel plates that have small contact area, the robots cannot grab firmly. In this study, a new five-fingered dexterous robot hand is developed. Having flexible palm with 17 degree of freedoms （ DOFs）, the hand can grasp more stably and firm- ly. First, the forward kinematics and inverse kinematics of the fingers and the hand are calculated. Then, the connection between the force exerting on the end effectors and the torque exerting on the joint is set up, laying the foundation for the following control. Finally, through the analysis and sim- ulation of the position, velocity and acceleration, the trajectory planning has a better performance.     

欠驱动假手手指抓取力的研究

为了满足欠驱动手进行复杂作业的需要,基于欠驱动原理建立了手指对物体的抓取力模型和基于力的阻抗控制策略.对应于任一手指姿态,抓取力模型可以准确得到基关节抓握力矩和手指各指节抓取力的关系;采用基于力的阻抗控制策略,实现了基关节抓取力控制.实验证明,手指能够稳定地抓取鸡蛋这样比较滑、容易碎、形状复杂且有一定质量,需要稳定和平衡抓取力的物体,其成功率达80%以上.而这是单纯用手指的基关节力控制很难做到的(成功率只有不到20%).手指抓取力模型和阻抗控制策略的建立大大增强了假手进行复杂作业,抓取复杂物体的能力.     

Dynamic modeling and simulation for nonholonomic welding mobile robot

Based on the Newton-Euler method, the dynamic behaviors of the left and right driving wheels and the robot body for the welding mobile robot were derived. In order to realize the combination control of body turning and slider adjustment, the dynamic behaviors of sliders were also investigated. As a result, a systematic and complete dynamic model for the welding mobile robot was constructed. In order to verify the effectiveness of the above model, a sliding mode tracking control method was proposed and simulated, the lateral error stabilizes between ?0.2 mm and 0.2 mm, and the total distance of travel for the slider is consistently within ±2 mm. The simulation results verify the effectiveness of the established dynamic model and also show that the seam tracking controller based on the dynamic model has excellent performance in terms of stability and robustness. Furthermore, the model is found to be very suitable for practical applications of the welding mobile robot.     

机器人力控制综述

针对机器人作业时新的力控制要求,本文综述了现有的传统控制策略与智能控制策略.首先介绍传统力控制策略中的阻抗控制、位/力混合控制与自适应控制,其次介绍智能控制策略中的模糊控制、神经网络与优化控制.同时,对各控制算法基本原理进行深入分析,列举各算法的应用成果,并对未来力控制研究提出了展望.     

水下作业机械手根关节行程限位电路的设计

研制了采用液压驱动的水下作业灵巧手,3个手指在一个液压马达驱动下,同时张开或收拢.为了限定3个手指跟关节的运动范围,需要设计3个手指行程限位控制电路.从液压马达正反转、内外侧行程限位开关等输入信号入手,依据手指运动规律,列出4个输入信号和两个输出信号间关系的真值表,推导出输入和输出信号间逻辑表达式,并在此基础上设计出行程限位电路.为了便于修改电路的逻辑功能,减少电路板上集成电路数量,控制电路的逻辑运算功能借助可编程逻辑电路实现.     

基于自抗干扰的装配机器人阻抗控制技术

为了提升机器人装配作业的精确性和柔顺性,提出改进型自抗扰阻抗控制策略.该策略通过自抗扰控制器生成新期望力来调整机器人末端工具坐标系的位置,实现精确的力跟踪.通过扰动观测器观测环境信息并补偿控制系统的期望力,提高控制系统对环境参数的适应性.引入阻抗模型改进扰动观测器,使观测器的响应速度增大,力跟踪的精度提高.基于六自由度机器人的精密轴孔装配实验结果表明,与传统阻抗控制相比,基于自抗扰控制（ADRC）的阻抗控制能够在较小的接触力误差下完成装配,且基于改进型自抗扰控制的阻抗控制的力平均误差比改进前自抗扰控制减小12.0%～28.2%.     

双臂空间机器人的固定时间轨迹跟踪控制

针对双臂空间机器人轨迹跟踪控制问题,考虑系统跟踪误差收敛时间易受初始状态影响,提出与初始状态无关的固定时间非奇异快速终端滑模控制策略. 基于固定时间稳定性理论,设计改进的固定时间非奇异快速终端滑模面. 该滑模面解决了终端滑模控制的奇异问题,使得系统跟踪误差在远离、接近原点时均有较快的收敛速度. 为了削弱滑模控制存在的抖振现象和提高趋近阶段的收敛速度,提出改进的固定时间趋近律,应用李雅普诺夫理论证明闭环系统的固定时间稳定. 以双臂空间机器人为被控对象进行对比仿真,结果表明,所提控制策略具有更高的控制精度、更快的收敛速度和更强的鲁棒性.