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。     

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算.     

可变刚度四足机器人对角小跑控制策略

为提升足式机器人在复杂环境下的自适应稳定运动能力,针对具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人提出一种对角小跑步态运动控制策略。基于弹簧负载倒立摆模型与控制目标解耦方法,设计了腾空相对角腿关节角规划,着地相前进速度、机身高度、俯仰角调节及腿部刚度主动调节控制策略,并基于足端触地状态完成了四足机器人对角小跑步态运动规划。研制了具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人样机,通过实验验证了所提运动控制策略的有效性与正确性。     

基于永磁弹簧-摆动导杆的变刚度机构力学特性研究

提出一种可用于变刚度关节驱动器的永磁弹簧-摆动导杆变刚度机构,采用轻质绳索牵引改变永磁弹簧气隙间距及初始刚度,同时利用摆动导杆机构运动改变内外圈相对转动所需扭矩大小。分析了变刚度机构的刚度调节机理,阐述了变刚度机械结构。通过永磁弹簧气隙间距-磁力实验结果获得永磁弹簧刚度模型,并根据变刚度机械结构建立的静力学模型分析了机构的力学特性。通过Matlab数值仿真,结果表明永磁弹簧初始刚度对弹簧压缩量及导杆转角的影响规律。根据永磁弹簧与定刚度线性弹簧的绳索拉力变化,对比结果表明采用变刚度永磁弹簧可以进一步增加绳索的拉力变化范围,即可以有效增大机构的刚度变化范围。     

漂浮基带柔性铰空间机器人的动力学建模及奇异摄动控制研究

探讨了本体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基带一般柔性铰空间机器人的动力学建模与奇异摄动控制问题。结合系统线动量及角动量守恒关系,通过拉格朗日法建立了系统的动力学模型。为解除传统奇异摄动控制技术应用受关节柔性的限制,引入了一种关节柔性补偿器,以等效降低系统各关节铰的柔性。之后借助于奇异摄动理论,先后设计了漂浮基带柔性铰空间机器人关节空间、惯性空间期望运动轨迹跟踪的奇异摄动控制方案。该控制方案无关节柔性的限制,因此较适用于具有一般柔性铰空间机器人系统的控制。理论分析及仿真试验结果均表明控制方法可行。     

绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究

针对目前组装式绳驱动柔性机器人存在的装配复杂、控制精度差与刚度低等问题，提出了一种用于狭小空间探测的超冗余绳驱动柔性机器人。首先，设计了一种通过卯榫连接的绳驱动柔性机械臂，基于常曲率假设，利用MATLAB软件建立了该机器臂的运动学模型，并对其工作空间与绳长变化量进行了仿真分析；然后，分别设计了基于上位机软件界面和增量映射模型的主从控制方法；最后，搭建了单关节的柔性检测机器人系统样机平台，并通过旋转弯曲与负载弯曲试验，对所建模型和控制策略进行了验证。研究结果表明：新构型柔性机器臂可以解决柔性机器人刚度较低的问题，其运动特性明显优于芯柱型柔性机器人，其负载能力达到250 g时，末端位置的控制误差小于8%,满足柔性机器人的控制需求。     

基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制

在绳索牵引并联机器人中,实时测量动平台位姿是实现高精度轨迹跟踪控制的关键环节。为此,设计一种基于高性能工业相机的高速视觉测量系统,实现绳索牵引并联机器人的运动学视觉伺服控制。设计一种基于感兴趣区域的位姿跟踪算法,并且加入Auto-Regressive(AR)模型对位姿进行实时预测,避免了绳索牵引并联机器人复杂的正运动学求解。以此为基础,构建了工作空间的运动学视觉伺服控制方案,在实际6自由度绳索牵引并联机器人上进行了轨迹跟踪控制试验,试验结果表明基于高速视觉测量的工作空间控制方案明显优于基于编码器反馈的关节空间控制。     

柔性臂空间机器人基于虚拟力概念的神经网络L2增益鲁棒控制

探讨本体位置不控、姿态受控的漂浮基柔性臂空间机器人系统在惯性参数不确定情况下的动力学建模与控制问题。根据系统位置几何关系、动量守恒关系和第二类拉格朗日方程,由假设模态法,建立漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。利用该模型,针对系统惯性参数不确定情况,提出具有L2扰动抑制的刚性运动神经网络L2增益鲁棒控制策略,以使柔性臂空间机器人的本体姿态到达期望位置的同时,机械臂各关节铰能够协调地跟踪关节空间的期望轨迹。为了主动抑制柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的神经网络L2增益鲁棒控制策略。提出控制器的优点在于,既不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,也无须预知系统精确的动力学模型;由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对柔性振动进行主动抑制,更适应于空间机器人系统的实际应用。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

面向农情信息采集的小型四足柔性机器人设计

与大型农业设备相比,采用足式机器人进行农情信息采集可以缓解土壤机械压实问题。为了提高足式机器人运动速度,降低运动能耗,提出一种新型的小型柔性四足机器人结构,在机构设计时采用三段式两自由度腿部结构、远程绳索驱动式膝关节并增加弹簧蓄能装置,推导机器人支撑相的足端轨迹曲线斜率与机器人推进力的关系,提出一种斜线式足端轨迹曲线,仿真及样机试验结果验证了所提轨迹曲线的有效性。     

线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真

连续型机器人是一种柔顺、灵活性高的新型仿生机器人.与串并联机器人等传统的离散型机器人由离散的关节和连杆组成的结构不同,这种柔性的"无脊椎"机器人由柔性支柱构成,而没有任何刚性关节和连杆,因此无法利用传统的D-H方法对其进行运动学分析.在分析连续型机器人不同于传统离散型机器人的基础上,利用几何分析的方法提出一种简练、直观的线驱动连续型机器人运动学算法,对其单关节驱动空间、关节空间以及操作空间的映射关系进行分析,并描述其三维工作空间.针对线驱动机器人多关节之间存在耦合影响的问题,推导线驱动连续型机器人的两关节解耦运动学.同时在Matlab下对机器人末端位置和驱动线长度变化曲线进行仿真研究,并进行原理样机试验,验证了运动学算法的正确性并展示了其运动能力.     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学与改进奇异摄动控制

采用线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来分别描述基座及关节柔性,并在此基础上经由线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法,建立了姿态受控柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学模型。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合,推导了可分别表示系统刚性运动、基座与关节柔性运动的慢、快变子系统,并提出一种由协调运动慢变控制和基于高阶快变状态观测器的最优控制所组成的改进奇异摄动控制方案。与传统奇异摄动控制方案相比,所提改进控制方案可有效避免对系统高阶快变状态量进行实时地测量和反馈,且可适于具有较大关节柔性的柔性基、柔性关节空间机械臂的控制。仿真实验结果表明了所提方案在轨迹跟踪控制、基座与关节柔性振动抑制上的有效性。     

一种旋转型机器人柔性关节设计与分析

通过对人类膝关节柔性产生机理研究,仿照动物关节肌肉-肌腱组织设计出一种适用于电机驱动的旋转型柔性关节。通过研究对比旋转型SEA（series elastic actuator）与直线型SEA机构特点,提出一种由8个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构,并建立柔性输出机构刚度模型,确立了弹性元件参数与柔性关节等效刚度的数学关系。在此基础上,对柔性关节整体进行紧凑化设计,电机、减速器、柔性输出机构集中安装于关节部位,使柔性关节模块化、通用性强。通过对该柔性关节软件仿真及关节样机测试,验证了关节抗冲击能力和柔性输出能力可以满足柔性关节型机器人对柔性关节的应用需求。     

基于期望动力学的柔性关节控制器设计

协作机器人具有灵活,安全特点,已广泛应用于自动化领域以及中小企业中。为了保证与人交互的安全性,协作机器人通常采用中空电机与中空减速器配合的设计方案,以降低关节转动惯量,从而获得良好的外力感知与控制能力,这种设计导致协作机器人的关节具有了柔性。针对具有柔性关节的轻量级协作机器人,设计了一种基于期望动力学的柔性关节控制器,提高柔性关节机器人的轨迹跟踪精度和抖动抑制能力。在具有谐波减速器和力矩传感器的柔性关节上,基于连杆侧位置反馈与关节力矩反馈实现了从经典的电机侧控制到连杆侧控制的转变,并借助储存函数建立李雅普诺夫函数证明了该控制器的无源性与渐近稳定性。最后,通过Simulink仿真与单关节实验平台的关节轨迹追踪实验验证了柔性关节控制器的性能,结果显示其与全状态反馈控制相比具有关节力矩波动小、抖动抑制快以及轨迹跟踪误差小等优点。     

绳驱动机器人被动解耦模块的设计及验证研究

针对绳驱动关节机器人中前后关节独立运动时各关节驱动绳索的运动耦合问题,对绳索的关节耦合关系进行了研究,创新设计了一种新型绳驱动被动解耦机构。采用一种新型的绳索缠绕方式,利用解耦绳索的正反向缠绕带动随动轮以1/2的前端关节角速度运动,使以类似方式走线的两股后端关节驱动绳索在导线轮盘上分别缠绕脱落,避免后端关节驱动绳索在通过前端关节时因前端关节运动而产生绳长变化,以解决绳驱动串联机器人的绳驱关节耦合问题,并搭建了解耦模块验证实验平台,验证了设计的合理性。实验结果表明:该绳驱动被动解耦机构能够补偿前端关节运动导致的后端关节驱动绳索的绳长变化,实现运动耦合的解耦;但受制于绳索自身的弹性,解耦机构在关节换向时会存在一定的解耦误差。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

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。     

基于标定和关节空间插值的工业机器人轨迹误差补偿

轨迹精度是工业机器人重要的动态性能,目前工业机器人的轨迹精度远低于定位精度,提出一种基于机器人运动学标定和关节空间插值误差补偿的方法来提高机器人轨迹精度。基于MD-H方法建立机器人的运动学模型,在此基础上运用机器人微分运动学理论建立末端位置误差模型和轨迹误差模型。为克服最小二乘法等传统方法在数据噪声较大且不符合高斯分布时收敛慢甚至发散的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人运动学参数辨识方法,实现运动学参数辨识的快速收敛。经过分析发现机器人误差在关节空间具有连续性的特点,为此提出一种关节空间插值误差补偿方法,建立网格形式的误差补偿数据库,并利用关节空间距离权重函数和已知的网格顶点误差计算各控制点的关节转角误差。通过试验对所提出的参数辨识和关节空间误差补偿方法进行了验证,试验结果表明：经过运动学参数辨识和补偿后机器人的绝对定位精度由1.039 mm提高到0.226 mm,轨迹精度由2.532 mm提高到1.873 mm,应用关节空间插值误差补偿后机器人的轨迹精度进一步提高到1.464 mm。     

基于重心稳定约束的下肢外骨骼助行机器人静稳定步态规划方法

针对步态规划中仅用几个参数确定机器人关键位置、再对关键位置进行插值或多阶曲线拟合而导致的实际重心轨迹与目标轨迹相差较大的问题,对下肢外骨骼机器人步态规划方法进行了研究,提出了一种逆向的利用遗传算法直接根据重心求解关节位置的方法。采用D-H法对下肢外骨骼机器人进行了运动学建模,得到了重心与机器人关节位置之间的关系。基于稳定裕度最大规划了机器人的重心轨迹。在几何关系约束下采用遗传算法求解了各关节位置,并根据逆运动学模型得到各关节转角值,使实际重心轨迹与目标轨迹高度吻合。最后,进行了机器人带动穿戴者行走实验。实验结果证明:该规划方法具有可行性和有效性。