机械臂在未知环境下基于力/位/阻抗的多交互控制

针对人-机械臂交互的不确定性以及环境的未知性,提出了一种基于速度控制的方法来研究人、机械臂和环境三者之间的交互问题.首先通过在机械臂末端安装2个6维力传感器来实现交互力的检测,并在末端工具连接处增加单自由度柔性环节来实现机械臂的柔顺性.其次,基于i Ta SC(instantaneous task specification using constraints)方法对机械臂与工具系统的柔顺度建模,在输出空间中建立起速度/位置与力的关系,实现机械臂与环境之间接触力的控制,通过刚度矩阵实现人对机械臂的拖动控制.另外结合力/位/阻抗混合控制方法实现了在安全区域约束下人拖动机械臂来完成一系列基于位置/力的任务,并与未知环境之间达到一个良好的交互.最后将提出的算法在UR5机械臂上进行轮廓跟踪任务的验证,实验结果表明该方法能达到一个较好的交互控制效果.     

具有双插补避障功能的七关节机械臂控制系统研究

具有更多自由度的七关节机械臂在保证末端运动位姿的前提下,可实现更好的避障轨迹设计,但是给控制系统研发带来很大难题。针对此问题,首先从传统的冗余机械臂运动控制算法出发,建立基于梯度投影法的逆运动学方程;然后,针对其不足,结合六关节机械臂的解析解方法,提出了一种新的既可以避免机械臂腕部碰撞,又可以对机械臂上指定点运动位姿进行监测的双插补算法,实现了具有主动避障与碰撞监测的实时运动控制算法。最后,搭建了七关节机械臂和与之配套的软硬件控制平台,开发了实时的三维仿真软件,并通过实验验证了所提算法的正确性与有效性。     

GAMMA300型七自由度机械臂运动学仿真

针对机械臂的运动学问题以及运动路径的设计问题,以冗余度为1的美国ROBAI公司生产的7自由度冗余机械臂GAMMA300为具体研究对象,对七自由度机械臂进行运动学建模与仿真.利用Robotics Toolbox机器人工具箱编写该机械手的运动学程序.通过仿真实现了预定目标,验证了设计参数的正确性和可行性,为机械臂末端执行器的精确定位和轨迹规划提供了理论依据.对于冗余机械臂一般逆运动学封闭解的研究有一定的实用价值.     

冗余度机械臂零初始加速度运动规划方案研究

针对冗余度机械臂加速度非零初始值的情况,探讨了一种基于伪逆的加速度层优化控制方案。利用约束函数以使关节从零初始加速度开始运动,并引入关节速度/位置的反馈信息,采用速度/位置误差补偿方法改善运动学方程。通过上述方案对机械臂进行优化控制,可及时减小末端执行器的速度误差和位置误差,从而保证轨迹跟踪的精度。利用MATLAB软件对平面三连杆机械臂跟踪圆形和星形轨迹进行了实验。实验表明末端执行器位置误差在5s内达到10-6 m精度,机械臂能顺利完成跟踪任务。     

自动化控制下机械手臂运动轨迹研究

对机械手臂运动轨迹进行优化控制,能改善机械手臂的自动控制性能。为了提高机械臂的控制稳健性,提出一种基于变结构模糊PID控制的机械手臂运动轨迹优化控制模型。首先采用末端效应逆运动学模型构建机械手臂的运动规划约束参量数学模型,采用七自由度运动空间重构方法建立机械手臂运动的动力学方程。然后通过纵向定常运动,分析建立机械手臂整定控制目标函数,求解机械臂在抓取作业过程中的最佳导引控制律,采用变结构模糊PID控制方法进行运动轨迹的误差修正,实现机械臂自动控制优化。最后通过仿真实验进行控制性能测试,结果表明,采用该方法进行机械手臂运动轨迹控制的精度较高,对机械臂位形变化轨迹的预测准确性较好。     

基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制

由于现有方法在机械臂轨迹跟踪控制实际应用中,容易受到刚性连杆和柔性连杆之间耦合作用影响,导致控制后轨迹与实际目标轨迹一致性系数较低,为此提出基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制.首先利用旋转矩阵对多轴串联机械臂空间位姿描述及坐标变换,然后利用关节角补偿对多轴串联机械臂末端关节角进行补偿计算,根据计算结果规划多...     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

一种基于几何力学的机械臂末端规划算法

在几何力学框架下提出了开链机械臂末端实时追踪避障算法.首先,将回转力引入机械臂末端的自然运动方程,可以在工作空间获得光滑的避障轨迹;其次,利用阻尼最小二乘法求解相应的逆运动学问题,得到关节空间的平滑运动轨迹;最后,通过6自由度机械臂的仿真,并与经典的RRT算法作对比,验证了所提算法的有效性.     

一种冗余机械臂的多运动障碍物避障算法

冗余机械臂的避障问题一直是工业机器人应用领域的研究热点之一;为了改进传统避障算法的不足,提出了一种多运动障碍物的避障算法;该算法利用各障碍物的运动状态得到与机械臂之间的最小预测距离,并将其利用雅可比转置矩阵转化为机械臂对应杆件上的躲避速度,再将躲避速度引入梯度投影法中求得机械臂的关节角速度,并通过积分得到避障运动中机械臂的关节角度值,在完成末端轨迹跟踪的同时实现冗余机械臂的实时避障;利用一款七自由度冗余机械臂对该算法进行了仿真验证,结果表明该算法能有效实现冗余机械臂对多运动障碍物的避障。     

基于Leap Motion的机械臂交互控制研究

针对多旋转自由度机械臂的便捷控制问题,建立了一种联接体感设备Leap Motion与六自由度机械臂的交互控制系统。在体感输入和机械臂运动响应模型中,利用基于几何方法的机械臂运动学逆解,提出一种增加求解约束,二分搜索末端抓取器最优空间位姿的解法。这种解法运行效率高,求解过程直观,能够在对数级时间内求解。经过仿真和实物实验验证,该解法具备处理大量体感输入数据,实现机械臂实时响应的能力,为非触控式的体感机械臂控制提供了一种可行方案。     

基于BP神经网络的排爆机械臂逆运动学分析

机械臂逆运动学是已知末端执行器的位姿求解机械臂各关节变量,主要用于机械臂末端执行器的精确定位和轨迹规划,如何高效的求解机械臂运动学逆解是机械臂轨迹控制的难点;针对传统的机械臂逆运动学求解方法复杂且存在多解等问题,提出一种基于BP神经网络的机械臂逆运动学求解方法;以四自由度机械臂为研究对象,对其运动学原理进行分析,建立BP神经网络模型并对神经网络算法进行改进,最后使用MATLAB进行仿真验证;仿真结果表明:使用BP神经网络模型求解机械臂逆运动学问题设计过程简单,求解精度较高,一定程度上避免了传统方法的不足,是一种可行的机械臂逆运动学求解方法。     

一种基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计

为了应对工作环境的动态变化以及人机交互的不确定性,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的柔顺机械臂Soft Arm II.在关节电机和连杆之间加入串联弹性驱动器(SEA)传动模块,SEA传动模块由线弹簧周向均布构成;建立了3DOF柔顺机械臂的运动学/动力学模型以及系统刚度模型,基于系统刚度模型提出工作空间典型位姿下关节刚度加权平均的SEA弹簧刚度确定方法;柔顺机械臂采用位置PID(比例-微分-积分)控制,并通过监控末端接触力和关节力矩适时修改指令轨迹.在柔顺机械臂Soft Arm II上执行了自由空间中的圆形轨迹跟踪、人机直线对推和碰撞模拟实验,结果显示,Soft Arm II在自由空间中具有较好的轨迹跟踪性能,能够实现与操作者的柔顺交互以及对碰撞的安全避让.基于SEA的被动柔顺结构设计以及基于末端力和关节力矩监控的控制策略能够满足人机共存环境对机械臂柔顺性及安全性的要求.     

非触控式的体感机械臂交互控制系统研究

针对多旋转自由度机械臂控制系统中自然交互性和效率方面的问题,在建立的体感设备Leap Motion与六自由度机械臂的交互控制系统模型中,利用基于几何方法的机械臂运动学逆解,提出一种增加求解约束,二分搜索末端抓取器最优空间位姿的解法,该解法运行效率高,求解过程直观,并提高了手臂姿态位置计算的精确度。经仿真实验验证,本文提出的算法在处理大量体感输入数据具有机械臂实时响应能力,解决了体感设备与机械臂交互控制过程中的不自然性与实时性,为非触控式的体感机械臂控制提供了一种可行方案。     

考虑铰间间隙和重力影响的空间机械臂轨迹跟踪控制

以在轨服务高精度操控任务为背景,研究了铰间间隙和重力对空间机械臂末端轨迹跟踪精度的耦合影响,并设计了间隙补偿控制器.通过分析不同重力环境下含铰间间隙机构的运动特性,基于铰间间隙的Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼假设,建立了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型.以二自由度空间机械臂为例,利用牛顿欧拉法推导了重力及重力释放条件下的含间隙机械臂动力学模型,并分离出了间隙补偿项.最后,通过轨迹跟踪控制仿真研究,给出了含间隙机械臂在不同重力环境下的动力学行为差异,同时验证了间隙补偿控制器的有效性.     

协作机械臂碰撞环境下的安全控制

针对人机协作过程中机械臂末端与操作者之间可能存在物理碰撞的问题,本文提出一种基于自适应导纳和滑模控制的机械臂安全控制方法.首先,采用基于广义动量的干扰观测器估计机械臂各关节和末端执行器上的干扰力.然后,设计一个双环控制结构,内环是基于干扰观测的双幂次趋近律滑模轨迹跟踪控制器,用以克服外界干扰的影响,达到期望的轨迹跟踪精度;外环是自适应导纳控制器,依据碰撞外力的大小和方向更新期望轨迹,以保证机械臂碰撞发生时的柔顺性和碰撞解除后迅速恢复工作状态的能力.最后,对所提算法进行仿真和实验验证.实验结果表明,协作机械臂碰撞环境下的安全控制算法能保证人机协作的安全性和机械臂工作的连续性,满足人机协作过程中的工作需求.     

基于ELM-IWO机械臂运动学逆解算法研究

为了提高机械臂控制中运动学逆解的速度和准确度,提出了一种基于入侵性杂草优化的机械臂运动学逆解方法.通过D-H法建立了工业六自由度机械臂的正向运动学模型,并利用训练速度较快的ELM(极限学习机)计算机械臂关节角度向量,即输出其逆运动学初解.利用IWO(入侵性杂草优化)算法对得到的初始逆解进行优化,取最小适应度下的杂草位置作为输出,以便得到最佳的逆运动学求解.实验结果表明,相比基于PSO-BP神经网络的求解方法,基于ELM-IWO算法的机械臂末端执行器的精度更高,实时性更好.     

空间机械臂全局反作用优化及其地面试验研究

针对空间机械臂在运动过程中对其基座产生力／力矩反作用这一问题进行了分析,并提出一种关节轨迹参数化的全局反作用优化方法,用于减小机械臂的反作用力／力矩．基于气浮轴承方法,建立了3自由度空间机械臂反作用优化地面实验系统．最后,采用3自由度机械臂验证了该方法的有效性．     

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。     

基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制器的双机械臂协同阻抗控制

多机械臂的精准协同控制已成为当前机器人领域的研究难点,为实现双机械臂精准控制,通过建立双机械臂动力学模型,采用时间延时估计简化机械臂动力学模型,在保证控制系统稳定性的前提下,引入自适应模糊滑模控制器实现对估计误差的修正和补偿,设计基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制的双机械臂协同阻抗控制器,实现双机械臂协同操作的末端轨迹控制以及接触力精准控制.最后,将该控制器应用于两台六自由度机械臂仿真平台,实现双臂夹取和搬运同一目标物体的操作,通过与其他控制器进行对比实验,表明所设计的控制器具有响应快、无抖震、精度高的特点.     

双连杆刚柔机械臂无残余振动位置控制

针对双连杆刚柔机械臂,提出一种基于轨迹规划的无残余振动位置控制方法,在将机械臂的末端执行器从任意初始位置移动到目标位置的同时,确保系统没有残余振动产生.首先,建立系统的动力学模型,并通过分析该模型得到系统的状态约束方程.其次,基于状态约束方程,运用双向轨迹规划方法规划一条系统前向轨迹和一条系统反向轨迹.然后,利用时间倒转方法及基于遗传算法的轨迹优化方法对两条轨迹进行拼合,得到一条从系统初始状态到目标状态的期望轨迹.最后,设计轨迹跟踪控制器使系统沿期望轨迹到达目标状态,实现系统的无残余振动位置控制目标.仿真结果验证了本文所提方法的有效性.