液压驱动单腿跳跃机器人柔顺着地分析与控制

为缓解液压驱动足式机器人动态步态行走时着地瞬间足端冲击对机器人系统及其运动控制的影响,提出了一种基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法。以液压驱动单腿跳跃机器人为研究对象,分析机器人足端着地冲量,通过选择合适的机器人着地姿态和减小机器人着地前足端速度实现机器人柔顺着地,为此在空中相进行余弦速度曲线关节运动轨迹规划,以及着地相进行余弦函数关节运动轨迹规划。将该方法分别应用于基于MATLAB/Simulink软件建立的仿真模型和试验样机进行单腿竖直跳跃控制实验,仿真和试验结果显示采用该方法的机器人跳跃控制消除了足端着地瞬间地面作用力在膝关节液压缸无杆腔形成的液压冲击,实验结果表明提出的基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法合理可行。     

基于液压驱动的足式机器人液压缸设计方法研究

足式机器人以其良好的地面适应能力吸引了众多学者研究。然而足式机器人的驱动方式不尽相同,液压驱动因其输出力大响应速度快逐渐成为足式机器人主要采用的驱动方式,因此液压系统驱动器的设计就显得十分关键。介绍了足式机器人液压缸驱动器设计方法。首先通过Adams建立机器人虚拟样机平台,并通过MATLAB搭建机器人控制系统,然后进行联合仿真实验,通过仿真实验得到液压缸设计参数。根据所得到的液压缸设计参数,经过公式计算得到液压缸结构设计参数,进而进行液压缸结构设计和伺服阀选型。最后对所设计的液压缸进行有限元分析,使其满足机器人工作要求。     

基于力反馈的液压足式机器人主/被动柔顺性控制

在足式机器人运动过程中,柔顺性控制能有效减少足端触地冲击力,提高环境适应能力。被动弹簧常被用来实现机器人与环境柔性接触,但不能有效吸收剩余冲击能量。主动柔顺能够根据环境不同而调整末端刚度与阻尼,却由于冲击力作用时间很短,对执行器的响应速度有较高的要求。试验发现将主动柔顺控制与被动柔顺相结合,可弥补上述不足,并实现机器人柔顺性触地。在单液压执行器系统中验证了这种方法的有效性,将此控制策略应用在四足机器人单腿系统,得到了同样的效果。通过分析单自由度执行器系统,总结所提柔顺性控制器参数设计原则,进而为四足机器人整体柔顺性设计提供依据。     

拮抗变刚度关节驱动器设计与特性分析

机器人关节驱动器是人机交互运动得以实现的关键。为使服务机器人更好地完成与人之间的交互,根据仿生拮抗驱动原理,设计了一种主动变刚度的柔顺关节驱动器。同时建立了变刚度驱动器的数学模型,借助MATLAB软件分析,得到了变刚度驱动器静载下的静态刚度曲线,结果表明该关节驱动器具有良好的变刚度特性和安全性。此外,结合ADAMS虚拟样机和实物样机实验平台,分析了转角差δ=0°和δ=15°时小球的平抛情况,实验结果表明驱动器具有良好的储能特性和安全性。     

绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

液压挖掘机上车结构参数与液压缸摩擦力参数辨识

在液压挖掘机上车机械臂的动力学分析基础上,提出利用液压缸平稳低速运行时的动力学特性建立与摩擦力无关的挖掘机臂动力学模型,并运用该模型通过离线辨识确定臂的结构参数。基于经典摩擦力模型建立液压缸的辨识模型,通过在线辨识实验得到了液压缸的摩擦力参数,为深入研究液压挖掘机的动力学特性、建立可靠的系统仿真模型及实现臂运动的精确控制提供了依据。     

液压四足机器人足端的力预测控制与运动平稳性

针对液压四足机器人在坚硬路面行走时,足端位置易受刚性冲击,导致运动姿态平稳性差的问题,提出一种液压四足机器人足端力预测控制方法.在分析液压四足机器人结构的基础上,根据运动学与力学模型构建了液压伺服系统的力控制模型;采用改进自适应布谷鸟优化BP神经网络算法建立足端力预测控制模型,通过仿真对比分析验证了该算法的可行性.最后...     

基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究

为了实现机器人的拟人运动,提高其对外部环境的适应性,基于串联弹性驱动器(SEA)驱动形式提出一种仿肌弹性驱动的机器人转动关节,以实现机器人在受迫振动或受冲击下的柔顺自调整运动。该关节机构参考人体肌肉-肌腱组织的Hill-type模型,采用具有对抗形式的主动弹性驱动和被动弹性牵制的设计方案,模拟肌肉收缩运动和功能,产生牵拉力以驱动机器人的关节。通过对该弹性驱动关节进行建模分析,得到其动力学描述方程,结合多次仿真测试中获得的系统运动特性曲线,在掌握其运动规律的基础上完成了其动力学性能评估。此外,针对关节机构具有的强弹性、低刚度特点,提出一种基于虚拟刚度补偿的控制方法,并应用在具有仿肌弹性驱动关节的二自由度机器臂上,实验结果表明其可行、有效。     

某车液压助力转向系统动态特性的仿真

为了分析某车齿轮齿条式液压助力转向系统的动态特性,建立了液压系统转向控制阀、转向液压缸及其他主要元件的数学模型。采用SIMULINK对该系统进行分析,仿真模型以前轮受到交变载荷时产生的偏转角为输入,以转向液压缸输出力为输出。仿真结果表明,当转角频率不变时,液压缸输出力随前轮转角幅值增大而增大;当转角幅值不变时,液压缸输出力随前轮转角频率增大而增大。最后,为了改善液压助力转向系统的动态特性,分析了扭杆刚度、转向液压缸负载质量和液压系统的液体体积弹性模量对液压缸输出力的影响。     

基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

一种全柔顺六稳态机构的设计

多稳态机构因不需输入能量就可保持多个稳定平衡状态而在生产生活中得到越来越广泛的应用。全柔顺多稳态机构免装配、无摩擦、低能耗,但因为柔顺片段大变形时容易产生应力集中、输出非线性等原因,全柔顺多稳态机构的设计难度较大。提出一种全柔顺六稳态机构的设计方法,由两个临界跳转力不同的双稳态机构和一个柔顺片段组成机构,成功实现六个稳定平衡状态。对柔顺片段用伪刚体模型法建模,并通过比较两部分结构的力-位移特性给出机构具有六个稳定平衡状态的条件,从而避免了非线性分析;考虑机构的实际运动给出柔顺片段的刚度范围计算公式,设计者可据此选择合适的刚度完成全柔顺六稳态机构的设计。用ANSYS得到的输出力特性和样机测试证实了该设计方法的正确。     

面向柔顺装配装夹的机器人手腕变刚度机理研究

在柔顺装配装夹过程中,不同工序对机器人手腕刚度要求不同。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。提出了一种大范围变刚度的五自由度手腕,可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移。研究通过调节弹性张力改变手腕刚度的机理,实现手腕关节刚度随弹性张力的增加而线性增加。分析手腕弹性张力和几何参数对手腕变刚度特性和刚度分布的影响,通过设计手腕关节的几何参数实现手腕刚度分布保持不变。研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的空间模型,得到手腕刚度随手腕位姿的变化模型,实现手腕克服阻力完成装配装夹作业。实验结果表明机器人手腕可大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。     

基于力-位图像学习的工业机器人柔顺装配方法研究

利用机器人进行自动装配操作时,控制装配过程的接触力和柔顺性对于保证装配质量具有重要意义。为此提出一种基于力-位图像学习的柔顺装配方法,将装配过程中的位姿和接触力信息转化为力-位图像,然后通过对力-位图像的分类学习,获得不同初始位姿情况下的柔顺装配动作策略,从而控制机器人实现柔顺装配。首先,控制机器人完成多次装配,并在装配过程中收集机器人位姿以及装配力和力矩信息;然后,利用这些信息绘制力-位曲线并将其组合成为力-位图像,基于运动方向判定算法为力-位图像自动标记装配动作标签,以构建力-位图像数据集;最后,在力-位图像数据集上对深度学习模型进行训练,并基于深度学习模型控制机器人进行柔顺装配。为了验证该方法的有效性,以RJ45连接头和连接口间的装配为例,采集了2 500次装配操作的力-位数据,共生成92 328张力-位图像及对应标签,然后基于ResNet50网络训练力-位图像分类模型,并基于该模型控制机器人进行装配实验,装配成功率达到96.7%。     

基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪

液压机械臂具有高度非线动力学特性,末端轨迹跟踪误差大。为此,提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-basedcontrol,MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型,动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响;位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差;前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量,提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题,采用了最小二乘参数辨识的方法,在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明,所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%,相比与传统PID控制提升了93%,显著提高了轨迹跟踪精度。     

液压驱动单元基于位置/力的阻抗控制机理分析与试验研究

液压驱动型高性能足式仿生机器人对未知、非结构环境具有很好的适应能力,为尽可能地避免其足地接触过程中的冲击和碰撞,足式机器人的关节应具有一定的动态柔顺性。针对驱动足式机器人关节运动的液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)进行研究,首先,建立其液压系统位置/力控制数学模型;其次,推导阻抗控制基本控制原理,并以液压系统作为内环控制方式,分析HDU基于位置/力的阻抗控制机理,研究该两种阻抗控制方法的控制内外环动态柔顺性串并联组成原理;最后,搭建HDU性能测试试验平台,对提出的两种阻抗控制动态柔顺性串并联组成原理进行试验验证。试验结果表明,基于位置的阻抗内环动态柔顺性为并联组成,而阻抗控制外环与位置控制内环动态柔顺性为串联组成;基于力的阻抗内环动态柔顺性为串联组成,而阻抗控制外环与力控制内环动态柔顺性为并联组成;基于力的阻抗控制响应速度大于基于位置的阻抗控制,而后者的阻抗模拟精度要优于前者。以上研究成果可为足式仿生机器人关节控制方法选取及性能优化提供理论和试验参考。     

一种基于模糊控制的分数阶自适应导纳控制方法

针对下肢康复外骨骼机器人在主动康复训练中运动柔顺性不足的问题,提出一种基于模糊控制的分数阶自适应导纳控制方法。该方法是先在导纳控制模型中,惯性项、阻尼项和刚度项的阶数由整数变为分数,同时通过设置不同分数阶参数对比分析,找到最佳分数阶参数,用于人机交互控制中,可以有效提高康复机器人系统的平稳性和柔顺性。然后将实际人机交互力与期望交互力的偏差转化为位置偏差,以此来修正期望轨迹,其中位置控制器采用PID控制,实现位置跟踪。再利用模糊推理实时地调整导纳控制器的阻尼与刚度参数,相比固定导纳参数更能顺应人体运动意图,改善人机协调性,实现下肢康复外骨骼机器人的自适应主动柔顺控制。在Matlab/Simulink平台对分数阶自适应导纳参数控制器进行仿真实验,与固定导纳参数控制器进行对比分析。仿真结果显示,该方法可以有效降低轨迹跟踪误差,提高跟踪精度,使得人机之间的协同程度更高,同时降低人机交互力,有效改善运动柔顺性,保证患者的安全,避免肌肉二次损伤。     

一种新型变刚度柔顺关节设计与分析

针对传统高刚性机器人在人机交互过程中因碰撞产生的不安全问题,设计了一种新型的可变刚度柔顺关节.提出了一种基于凸轮四连杆机构的新型变刚度方法,分析了变刚度柔顺关节工作原理,详细阐述了变刚度柔顺关节的机械结构.设计了凸轮轮廓曲线,使变刚度柔顺关节达到最优刚度特性.根据机械结构建立变刚度机构的数学模型和变刚度柔顺关节的动力学...     

上肢康复机器人被动变刚度驱动器建模与试验

康复机器人的关节往往要求良好的变刚度特性以适应人体的柔顺性。根据上肢的关节肌肉特点,对上肢康复圆周轨迹训练中不同位置的刚度需求进行分析,并在此基础上设计了一种新型被动变刚度驱动器,其通过凸轮-滚子-簧片机构产生变化的阻力矩,从而实现上肢圆周轨迹训练过程中不同位置的刚度变化。建立了被动变刚度装置的数学模型并通过仿真和试验验证了模型的准确性和设计方案的可行性。设计的被动变刚度驱动器满足上肢康复训练过程中的刚度变化规律,结构简单且无需额外驱动与控制。     

YS—Ⅰ并联机器人的运动和动力模型

本文对YS-I并联机器人的运动和动力分析进行了研究,给出运动和动力控制模型。文中首先针对YS-I并联机器人的结构符点,以上平台虎克铰中心点作为研究的关键点,建立了速度和加速度控制模型。然后又建立了液压缸上某点的速度与输出的关系式,并得到液压缸上某点加速度的计算公式。在运动分析的基础上,最后建立了动力控制模型。     

基于SEA柔性驱动的动力学模型频域特性研究

为提高康复机器人工作中的柔顺性,分别建立基于位置源及力源驱动的两种串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)的动力学模型,分析其各自稳定性。为逼近人体肌肉变刚度特点,将弹簧与阻尼器并联作为弹性组件,经Laplace(拉普拉斯)变换得到两种SEA的开、闭环传递函数,用频域分析得到各自奈氏图(Nyquist图)和伯德图(Bode图)及频域指标,以改变弹簧刚度ks、阻尼系数cs来分析系统稳定性和快速性。结果表明:在稳定性方面,力源位置源;ks和cs的变化不仅显著影响SEA稳定性,也影响其力输出带宽和幅、相频特性。