主从机器人系统新型力觉双向伺服控制方法

提出了一种新型的控制策略，其主要特征是从手由主、从手之间的力偏差和位置偏差控制，主手由二者的力偏差控制；建立了系统的动力学模型，并根据二端口网络理论，从理论上研究了新方法的透明性能。     

比例调压阀PWM控制气动力感的再现装置

提出一种气动装置以实现在主从式机器手系统中产生力觉临场感。该装置由机械气动结构与PWM控制器两部分组成。详细介绍了力感再现装置力感形成原理与控制方法,搭建了压力修正实验与应力采集实验。实验结果表明,所设计的PWM控制器精确实现了力感驱动气缸的压力控制。该装置用在主从式机器手系统中,能够良好地实现力觉临场感。     

H∞控制的主从遥操作力觉双向伺服控制系统研究

针对力反馈双向液压伺服控制中存在的反馈力冲击大及位置跟随特性差的问题,提出了一种以主／从动机械手之间的力偏差为从动端控制信号,由位置偏差和力偏差形成主动机械手控制量的新型力觉反馈控制策略。结合遥操作工程机器人主从控制的特点,通过对液控操纵杆系统进行H∞控制的状态观测器补偿,改善了液压马达的动态特性差异。进行了力觉双向伺服控制实验,实验结果表明,该控制策略明显改善了主一从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时该控制策略具有控制简单、收敛速度快、实时性好等特点。     

手术机器人的模糊神经网络变阻抗控制策略研究

针对手术机器人在颅颌面手术过程中无法有效跟踪期望位置和接触力的问题，提出一种基于模糊神经网络的变阻抗控制策略。首先，利用模糊PID位置控制模块对机器人运动至手术切口位置的期望轨迹进行跟踪控制。其次，通过基于神经网络的变阻抗控制模块建立起机械臂与目标之间的力/位置动态关系，该模块可对机器人辅助手术过程中的力跟踪偏差进行及时的自适应修正，以实时补偿环境动态变化带来的影响，提高了环境交互的安全性以及力跟踪的准确性。最后，对提出的控制方法进行验证，结果表明，在动态变化的手术环境下，相比传统定阻抗参数控制方法，该方法拥有更好的跟踪控制效果。     

工业机器人轨迹精度力-位置复合补偿方法

工业机器人关节刚度较低,在外负载干扰下加工精度较低,阻碍机器人在加工系统中的进一步推广和应用。为解决该问题,提出一种力前馈控制-位置反馈控制复合补偿方法,其中力前馈控制可超前补偿由外部负载力引起的位置偏差,位置反馈部分用于补偿机器人内部因素导致的位置偏差。利用六维力传感器和激光跟踪仪构建了轨迹误差在线补偿闭环控制系统,进行轨迹精度在线补偿试验,验证该方法的轨迹误差补偿效果。综合考虑机器人因内部参数和外部环境因素引起的误差,提高机器人的轨迹精度,能够实现机器人的精准控制。试验结果表明,该方法具有较强的鲁棒性,在外负载下依然可保持较高的轨迹跟踪精度,200 N冲击载荷下路径轨迹误差峰值为0.082 mm,稳态误差为0.047 mm,为复杂工况下高精度机器人加工奠定了基础。     

建筑钻孔机器人的振动与控制研究

针对建筑机器人在钻孔过程中由于钻头偏移引起振动的问题,对柔性关节机器人模型、钻削力、时延控制等进行了研究。提出了一种因钻头偏移而引起钻削力波动的理论,并引入PD_TDC控制方法来控制机器人的位姿来减少钻头偏移量,从而减少了振动;利用拉格朗日动力学方法,建立了柔性关节的机器人系统;利用动态前角的方法,建立了钻削力模型;基于Matlab/Simulink建立了三自由度特定位姿的平面进给机器人的仿真模型;利用PD_TDC控制方法,对进给过程中的转角偏移进行了快速的补偿。研究结果表明:该方法可以有效减小各关节转角的偏差,减小钻头偏移角度以及钻削力的变化范围,有效抑制振动,提高了孔的加工质量。     

一种新型欠驱动拟人机械手的设计

设计了一种新型的高欠驱动集成化拟人机械手.仿人假肢手由4个电机驱动15个关节,其中食指和中指由一个电机通过安装在掌部的小型齿轮齿条差动机构驱动,无名指和小指分别由一个电机各通过一个安装在掌部的小型齿轮齿条差动机构驱动,拇指由两个独立电机驱动.手指采用了弹性交叉四连杆机构实现欠驱动控制,该手对于不同的抓取物体具有良好的形状适应性,且在部分手指运动受限的情况下具确理想的力分配特性.实验结果表明,该仿人假肢手可在肌电控制接口的控制下实现仿人灵巧操作.     

遥操作机器人系统的位置差-力差双向控制策略研究

针对目前遥操作机器人双向控制策略中所存在的力反馈冲击过大及主、从手间的位置跟随特性差等问题,综合传统的位置对称型和力偏差反馈型控制方法的优点,提出新型的位置差-力差双向遥操作机器人控制策略.通过仿真验证了所设计控制器的有效性.仿真结果表明,所设计的控制器,既解决了力反馈冲击问题,又提高了主、从位置跟随精度,从而提高了遥操作机器人系统的操作性能.     

渐开线齿廓和螺旋线的斜率偏差及形状偏差的控制

渐开线齿廓总偏差和螺旋线总偏差是由它们各自的斜率偏差及形状偏差所组成，斜率偏差及形状偏差的分项质量更能直观地反应出现论设计，机床及刀具的调整。计量检测仪器的发展为分项质量控制创造了有利的条件。分项质量控制目的就是为了更快捷地得到较好的整机质量。     

HIT机器人灵巧手手指及其阻抗控制的研究

手指对接触环境具有柔顺性是实现多指灵巧操作的关键,阻抗控制是实现机器人柔顺控制的主要方法之一。针对HIT灵巧手手指,阐述了其力／力矩传感器的设计,包括指尖六雏力／力矩传感器和2个关节力矩传感器。利用指尖六维力／力矩传感器作为力反馈,实现了笛卡尔空间的阻抗控制。     

Sensor-less force-reflecting macro–micro telemanipulation systems by piezoelectric actuators

This paper establishes a novel control strategy for a nonlinear bilateral macro–micro teleoperation system with time delay. Besides position and velocity signals, force signals are additionally utilized in the control scheme. This modification significantly improves the poor transparency during contact with the environment. To eliminate external force measurement, a force estimation algorithm is proposed for the master and slave robots. The closed loop stability of the nonlinear micro–micro teleoperation system with the proposed control scheme is investigated employing the Lyapunov theory. Consequently, the experimental results verify the efficiency of the new control scheme in free motion and during collision between the slave robot and the environment of slave robot with environment, and the efficiency of the force estimation algorithm.     

Real-time mobile robot teleoperation via Internet based on predictive control

A remote control system that can control a mobile robot in real time via the internet is proposed. To compensate for the network delay and counteract its impact on the teleoperation system, a predictive control scheme based on the modified Smith predictor proposed is selected. To ensure the stability and transparency of the system, a dynamic model manager is designed based on the information exchange between the sensors at the master and slave sides. To precisely predict the time delay, a new timer synchronization algorithm is proposed. To decrease delay- jitter, a new data buffer scheme is performed. Force feedback and a virtual predictive display are introduced to enhance the real-time efficiency of teleoperation. The usefulness and effectiveness of the proposed method and system are proven by teleoperation experiments via the internet over a long distance.     

基于力估计与切换控制的六足机器人三边遥操作

传统三边遥操作系统的力传感器对主从端交互力进行测量时局限性较大,且在共享权重切换时易导致系统不稳定,本 文设计基于力估计与权重切换控制的六足机器人三边遥操作控制架构。 针对系统各端口交互力信息缺失的问题,设计一种非 线性交互力估计器,实现对各端口间交互力的实时估计。 聚焦双操作者控制权重动态调整过整中的柔顺切换问题,本文基于共 享控制策略,设计权重因子自适应切换算法。 为保证所提出系统的稳定性及透明度,融合力估计器及权重切换算法,设计遥操 作系统的控制器。 通过力反馈设备分别和 Vortex 与 ElSpider 六足机器人搭建半物理仿真平台与实物实验平台,对本文提出控 制方法进行验证。 相对于传统三边遥操作,实验表明在平坦地形下速度跟踪性提高了 45. 12% ,力跟踪提高了 64. 71% ;在崎岖 地形下速度跟踪提高了 39. 02% ,力跟踪提高了 29. 41% 。     

排爆机器人主从手力觉临场感仿真研究

针对排爆机器人手臂抓取爆炸物无力反馈操作人员临场感差,易发生误操作触发爆炸物等问题,设计一种排爆机器人主从机械手系统。该系统由两组相同结构的机械手臂组成,每个机械手上安装力传感器分别检测人员与爆炸物对主从手产生的作用力。对主从手机构建立动力学模型与控制模型,根据所建立的模型利用二种不同质量的爆炸物进行抓取以验证其机构动态性能。仿真结果表明：机械手抓取小质量爆炸物时主从手之间力跟随与延时特性都有较好映射;在抓取大质量爆炸物时从手力的映射出现振荡并产生延时。     

遥操作机器人位置反馈型H_∞双向伺服控制系统研究

针对目前遥操作机器人双向伺服控制策略中存在的主、从手间位置跟随性差,以及抓取刚性物体时主手所受反馈力冲击过大等问题,提出了一种位置反馈型H∞双向伺服控制算法.同时,采用状态观测器消除操纵杆液压系统动态特性差异及系统的阻尼、摩擦力、惯性阻力等干扰因素.搭建二自由度同构型主从遥操作系统试验台,并进行了现场试验.结果表明,所提出的位置反馈型H∞双向伺服控制策略能有效地改善高刚性操纵杆力觉临场感和主从位置跟随特性,并能很好地解决反馈力瞬间冲击问题,为力觉临场感遥操作机器人走向实用化提供了宝贵经验和关键技术.     

Identification of feasible scaled teleoperation region based on scaling factors and sampling rates

The recent spread of scaled telemanipulation into microsurgery and the nano-world increasingly requires the identification of the possible operation region as a main system specification. A teleoperation system is a complex cascaded system since the human operator, master, slave, and communication are involved bilaterally. Hence, a small time delay inside a master and slave system can be critical to the overall system stability even without communication time delay. In this paper we derive an upper bound of the scaling product of position and force by using Llewellyn’s unconditional stability. This bound can be used for checking the validity of the designed bilateral controller. Time delay from the sample and hold of computer control and its effects on stability of scaled teleoperation are modeled and simulated based on the transfer function of the teleoperation system. The feasible operation region in terms of position and force scaling decreases sharply as the sampling rate decreases and time delays inside the master and slave increase.     

Real-time mobile robot teleoperation via Internet based on predictive control

A remote control system that can control a mobile robot in real time via the internet is proposed. To compensate for the network delay and counteract its impact on the teleoperation system, a predictive control scheme based on the modified Smith predictor proposed is selected. To ensure the stability and transparency of the system, a dynamic model manager is designed based on the information exchange between the sensors at the master and slave sides. To precisely predict the time delay, a new timer synchronization algorithm is proposed. To decrease delay-jitter, a new data buffer scheme is performed. Force feedback and a virtual predictive display are introduced to enhance the real-time efficiency of teleoperation. The usefulness and effectiveness of the proposed method and system are proven by teleoperation experiments via the internet over a long distance. __________ Translated from Robot, 2007, 29(4): 305–312 [译自: 机器人]     

Adaptive sliding mode control of a piezo-actuated bilateral teleoperated micromanipulation system

Piezoelectric actuators are widely used in micro manipulation applications. However, hysteresis nonlinearity limits the accuracy of these actuators. This paper presents a novel approach for utilizing a piezoelectric nano-stage as the slave manipulator of a teleoperation system based on a sliding mode controller. The Prandtl-Ishlinskii (PI) model is used to model actuator hysteresis in feedforward scheme to cancel out this nonlinearity. The presented approach requires full state and force measurements at both the master and slave sides. Such a system is costly and also difficult to implement. Therefore, sliding mode unknown input observer (UIO) is proposed for full state and force estimations. Furthermore, the effects of uncertainties in the constant parameters on the estimated external forces should be eliminated. So, a robust adaptive controller is proposed and its stability is guaranteed through the Lyapunov criterion. Performance of the proposed control architecture is verified through experiments.