空间机器人目标捕获过程中的载体姿态扰动优化

针对自由飘浮空间机器人在捕获目标的过程中会对其载体姿态产生扰动的问题,提出了一种新的笛卡儿轨迹参数化方法.建立了反映载体姿态变化的日标函数,该函数既可以限制机器人关节角的运动范围,也可以避免动力学奇异的影响.利用遗传算法进行目标函数的优化,有效降低了空间机器人末端执行器在跟踪笛卡儿轨迹时对载体姿态的影响.仿真结果验证了...     

力-位控制算法在工业系统中的应用

机器人末端执行器与物体之间交互作用的控制,是工业机器人操作的核心内容之一.本文基于一部引线键合机,对末端执行器的力一位控制算法进行了研究.通过建模、辨识得到系统传递函数,采用内模控制加前馈补偿的二自由度控制器实现了末端执行器高速、高精度的位置控制;采用带位置内环的力控制策略实现接触力的精确控制.     

空间机器人目标捕获的零扰动方向分析

空间机器人在执行捕获任务时目标与机械臂的碰撞给基座带来的姿态扰动是致命的针对目标捕获时基座姿态扰动最小化问题,在建立了自由飘浮空间机器人捕获目标动力学模型的基础上,提出了自由飘浮状态下基座零扰动冲击方向的概念,给出了捕获过程中基座姿态无扰的条件是碰撞冲击力方向与基座零扰动冲击方向一致,并用角动量的分布与传递解释了零扰动...     

空间网状捕获接口的等效抓捕控制

在空间大型机械臂在轨抓捕过程中,其关节柔性及长臀杆的变形会产生较大的末端跟踪及定位误差,因此很难实现成功抓捕.为此,本文研制了一种空间应用的网状捕获对接接口,提高了大臂末端执行器在大定位误差下的抓捕能力.同时,为了提高末端执行器与目标之间的非相对零速情况下的抓捕性能,利用等效抓捕的思想避开了抓捕过程中捕获接口对目标抓钩纠偏力建模复杂的问题,将问题简化为对目标抓钩端点在捕获面上投影的位置跟踪问题,实现了在末端执行器与目标具有一定的相对逃逸速度的情况下的成功抓捕.实验表明,利用本文提出的控制策略增大了网状捕获接口的抓捕容差范围,从而验证了本文提出的控制策略的何效性.     

一种基于随动视觉的排爆机器人自主抓取系统

在传统基于固定视觉的排爆机器人抓取系统中,相机视觉易被遮挡且不能保证拍摄清晰度。基于随动视觉技术,提出一种将深度相机置于机械手末端并随机械手运动的排爆机器人自主抓取系统。利用深度相机计算目标物体的三维坐标,采用坐标转换方法将目标物体的位置坐标信息实时转换至机器人全局坐标系,并研究相机坐标系、机器人全局坐标系与末端执行器手爪工具坐标系三者的动态映射关系,实现排爆机器人的自主抓取。实验结果表明,与传统固定视觉方法相比,随动视觉方法可在误差2cm内,使得机器人机械手爪准确到达目标物体所在位置,且当机器人距离目标物体100cm~150cm时,抓取效果最佳。     

一种高分辨力柔性触觉传感器

本文描述了一种基于全内反射原理，用透明橡胶材料作为波导板的柔性触觉传感器。该传感器除具有一般刚性波导板触觉传感器的高分辨力等特点外，还具有柔性好，力灵敏阈值低，不怕碰撞等特点，该传感器特别适合装在智能机器人手爪上，为机器人系统高效率地获取物体形状，位置和姿态信息，实现智能抓握物体，操作物体等功能提供了有效的手段。     

人机协作视觉手部保护系统设计

针对人机协作中人与机器人共享工作空间时的安全问题,设计了一套人机协作视觉手部保护系统,并搭建相应的验证系统。该系统采用深度学习目标检测算法结合双目视觉技术实现对操作人员手部的识别与定位,同时利用手眼标定将视觉定位后的手部坐标转换到机器人基座坐标系下,通过计算操作人员手部与机器人末端执行器之间的距离,机器人自主执行减速、急停等安全策略。经实验验证:当操作人员在机器人工作空间作业时,通过检测手-末端相对位置关系,可以有效避免人机协作过程中机器人末端执行器与手部发生碰撞,达到了保护操作人员安全的目的。     

协作机器人的力/位混合控制系统设计

协作机器人完成装配、焊接等精度要求较高的工作时,其末端执行器必须能够同时控制末端的位置以及接触力,避免接触力对机器人和环境造成损坏。主要基于xMate3柔顺协作机器人（7轴机械臂）,在机械臂的末端执行器建立适当的坐标系,然后将控制问题分解成两个独立的解耦子问题——力控制问题和位置控制问题,从而实现力位混合控制。     

角膜移植显微手术机器人末端执行器的设计

设计了一种用于角膜移植显微手术机器人系统的末端执行器.末端执行器集成了微力传感器、位移传 感器.微型直流电机和环钻，具有体积小、功能完善的特点.它用于系统末端，直接对角膜进行操作.􀁱     

一种自移动空间机械臂末端执行器的研制

针对中小型自移动空间机械臂在轨操作和"换位行走"的任务需求,研制了一种小型化、大容差、高刚度可靠连接的末端执行器及其相应的目标适配器.末端执行器采用单一驱动实现捕获、拉紧锁合、解锁和电连接器插拔等多种功能.考虑捕获容差条件及锁合性能要求,对末端执行器的关键机构参数进行设计.通过ADAMS建立虚拟样机,对捕获容差及锁合的功能性能进行验证.最后通过样机实验对末端执行器的功能进行验证,验证了设计的可行性及仿真的准确性.     

柔索牵引式力觉交互机器人控制策略

为了让航天员在没有太空真实环境的地面上模拟太空环境进行虚拟作业训练,设计了一种与虚拟现实（VR）技术相结合的柔索牵引式力觉交互机器人．首先,根据微重力环境中物体的运动特性设计机器人的构型,建立移动平台、驱动单元、人推物体运动过程的动力学模型并进行运动学分析．然后,针对系统冗余驱动及力控制任务,提出一种复合控制策略,即以柔索长度变化为速度控制内环,力的外环控制为力／速混合控制．最后,分别进行单柔索加载和人机系统力觉交互仿真分析,分析结果表明该控制策略可以使柔索驱动单元降低10%的恒力跟随误差并能稳定地跟随余弦力的变化,验证了该控制策略对多余力抑制的有效性．     

空间机器人目标捕获的自适应规划

与地面固定基座机器人不同的是,空间机器人的运动学方程中含有动力学参数。在执行目标捕获任务时,目标动力学参数的不精确会给空间机器人的规划带来致命的影响。针对目标捕获后动力学参数不精确情况下的关节空间规划问题,在建立了自由飘浮空间机器人运动学模型的基础上,给出了雅可比矩阵及其动量守恒方程中的惯性参数以及惯性参数的组合参数线性化的具体形式,提出了一种关节空间的自适应规划方法。以平面二连杆空间机器人为研究对象进行仿真验证。结果表明,所提出的自适应规划方法可以有效降低惯性参数不精确给运动规划带来的影响,为空间机器人执行目标捕获等任务时提供了任务空间内精确轨迹跟踪的能力。     

基于虚拟力的群机器人围捕算法

启迪于物理学中的范例,探讨了基于虚拟力的群机器人围捕算法的原理和方法。制定了详细的系统性能评价指标（稳定时间、层数、层间距离、层中机器人个数、机器人密度等参数）。分析了围捕性能与机器人数量、虚拟力的关系;提出了目标对机器人作用力的分层结构思想,实验显示不仅加快了围捕速度,而且提高了围捕分层的质量;提出了机器人绕目标转动的围捕方法,解决了势场法中常见的局部极点问题,并且大大提高了围捕的速度和质量。设计了一个简单的实体机器人实验证实了围捕算法的可行性,指出了今后的研究方向。     

Cooperative Control of a 3D Dual-Flexible-Arm Robot

This paper discusses cooperative control of a dual-flexible-arm robot to handle a rigid object in three-dimensional space. The proposed control scheme integrates hybrid position/force control and vibration suppression control. To derive the control scheme, kinematics and dynamics of the robot when it forms a closed kinematic chain is discussed. Kinematics is described using workspace force, velocity and position vectors, and hybrid position/force control is extended from that on dual-rigid-arm robots. Dynamics is derived from constraint conditions and the lumped-mass-spring model of the flexible robots and an object. The vibration suppression control is calculated from the deflections of the flexible links and the dynamics. Experiments on cooperative control are performed. The absolute positions/orientations and internal forces/moments are controlled using the robot, each arm of which has two flexible links, seven joints and a force/torque sensor. The results illustrate that the robot handled the rigid object damping links' vibration successfully in three-dimensional space.     

Optimal Capture of a Tumbling Object in Orbit Using a Space Manipulator

This paper introduces an optimal capture strategy for a manipulator based on a servicing spacecraft to approach an arbitrarily rotating object, such as a malfunctioning satellite or a piece of orbital debris, for capturing with minimal impact to the robot’s base spacecraft. The method consists of two steps. The first step is to determine an optimal future time and the target object’s corresponding motion state for the robot to capture the tumbling object, so that, at the time when the gripper of the robot intercepts the target the very first instant, the resulting impact or disturbance to the attitude of the base spacecraft will be minimal. The second step is to control the robot to reach the tumbling object at the predicted optimal time along an optimal trajectory. The optimal control problem is solved with random uncertainties in the initial and final boundary conditions. Uncertainties are introduced because sensor and estimation errors inevitably exist in the first step, i.e., determination process of the initial and final boundary conditions. The application of the method is demonstrated using a dynamics simulation example.     

空间机器人分布式滑模变结构控制方法

针对空间机器人的动力学特性和星载控制系统的结构特点,分别基于干扰上确界和比例切换,设计了2种分布式滑模变结构控制方法,以实现在存在不确定干扰和关节摩擦力矩情况下基座姿态和关节运动的综合控制.首先给出了空间机器人的动力学模型和关节低速摩擦力矩模型,并以两自由度空间机器人为例,介绍了2种分布式滑模变结构控制方法的推导过程.通过仿真实验,对2种控制方法进行了对比,结果表明分布式变结构控制方法在简化算法的同时,能够保证系统控制性能,并对干扰和参数变化具有较强的鲁棒性.     

A virtual-physical collision detection interface for AR-based interactive teaching of robot

At present, online lead-through and offline programming methods are widely used in programming of industrial robots. However, both methods have some drawbacks for unskilled shopworkers. This paper presents an Augmented Reality (AR)-based interactive robot teaching programming system, which virtually projected the robot onto the physical industrial environment. The unskilled shopworkers can use Handheld Teaching Device (HTD) to move end-effector of virtual robot to follow endpoint of the HTD. In this way, the path of the virtual robot can be planned or tested interactively. In addition, collisions detection between virtual robot and physical environment is key to test the feasibility of robot path. So, a method for detecting virtual-physical collisions is presented in this paper by comparing the depth values of corresponding pixels in depth image acquired by Kinect and computer-generated image in order to get collision-free paths of the virtual robot. The Quadtree model is used to accelerate the collision detection process and get distance between virtual model and physical environment. Using the AR-based interactive robot teaching programming system presented in this paper, all workers even unskilled ones in robot programming, can quickly and effectively get the collision-free robot path.     

Heavy material handling by cooperative robot control

Multifingered dextrous robot hands can perform more complex tasks than simpler end effectors. Teleoperation, in which a robot mimics the motion of a remote operator, provides a convenient method for controlling these robot hands. Damage to the object being manipulated by the robot hand may result in the case of open-loop control if there is no force-feedback sensation to the operator from the robot hand. The need arises for new actuator technology to provide force feedback to the hand master. These actuators have to meet the tight space and light weight requirements of a dextrous master. One candidate is the shape memory alloy (SMA) actuator. SMAs, such as Nitinol, are materials with a unique 'mechanical memory' and high force/weight ratio. A prototype SMA actuator and its hardware interface were designed and tested. Results showed that the actuator met the space and weight limitations of the master (Exos DHM?) and provided adequate reactive force feedback to the operator. However, the actuator had a low bandwidth of operation, due to relatively slow engagement and disengagement motions. This makes it unusable in real-time control situations.     

遥操作机器人的新型力反馈算法*

在采用液压挖掘机改造的遥操作机器人双向伺服控制系统中,针对大臂和前臂两个自由度构建力反馈控制算法。以准确地获取从端机器人与环境的作用力,使反馈力能够更好地反映从端工作状况为目的,采用构建干扰力补偿项的方法消除干扰力对反馈力的影响;以机器人转角为输入,以空载时检测到的液压缸作用力为输出,通过径向基函数构建干扰力补偿项,此补偿项可对多种因机器人的机械本体动力学特性产生的干扰力之合力进行补偿。实验证明,在以液压机构为从手的双向力反馈系统中,通过构建干扰力补偿项的方法提高力反馈效果的方法是可行的,采用的带有干扰力