双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。

机器航天员轴孔装配过程中的力位混合控制方法

针对机器航天员轴孔装配任务高精度控制要求,提出一种考虑协调操作的力位混合控制方法。在建立含耦合分支的机器航天员动力学方程的基础上,推导轴孔装配过程中双臂协调操作运动约束关系,设计机器航天员考虑协调操作的力位混合控制方法,并通过仿真对控制方法的正确性和有效性进行校验。结果表明:利用本文提出的方法实现了对机器航天员轴孔装配过程中的双臂相对运动以及相互作用力的高精度控制;与传统的未考虑协调操作的力位混合控制方法相比,文中提出的方法在提高控制精度的同时缩短了操作时间,提高了轴孔装配效率。

飞机大部件调姿平台力位混合控制系统设计

为了解决调姿平台中,由于三坐标定位器自身各轴垂直度和相互各轴平行度误差引起的调姿误差以及对飞机大部件造成内力的问题,提出一种飞机大部件调姿平台的力/位置混合控制方法.通过建立调姿误差模型,分析三坐标定位器自身垂直度和相互平行度误差对姿态控制以及部件内力的影响;根据机构雅可比矩阵条件数,提出调姿平台力控制轴和位置控制轴分配策略;通过静态误差计算得到,在三坐标定位器垂直度误差为0.05mm/m,同向轴两两之间最大平行度误差为0.1mm/m且平均平行度误差为0.07mm/m时,在给定的部件尺寸和调姿轨迹下,力/位置混合控制方法的调姿精度优于全位置控制方法,并且显著降低了调姿部件内力.实验结果表明,力控制器在位置扰动下能够稳定跟随力矩指令,动态误差在±0.03N·m内,满足定位器调姿控制要求.

主动过约束并联机构6PUS+UPU力位混合控制

为了解决主动过约束并联机构驱动协调性问题,提出一种基于动力学的力位混合控制策略。以6PUS+UPU并联机构为研究对象,基于运动学分析的基础,利用虚功原理推导了机构整体动力学模型与单分支动力学模型,进而得到机构期望内力;以机构内力和运动精度为控制目标,在力位混合驱动的基础上提出一种基于动力学的力位混合控制策略;以6PUS+UPU机构样机为对象进行控制实验,并对实验结果进行了分析。实验结果显示,所提力位混合控制策略可以提高对主动过约束并联机构内力的控制精度,改善各分支驱动协调性,并能在一定程度上提高机构运动精度。

基于力位混合控制的机器人充电枪装配寻孔算法

针对电动汽车充电枪装配问题,提出一种基于速度环的力位混合控制快速寻孔算法。在位置控制空间,考虑到双目视觉系统初始定位不精准,设计了一种基于梯形速度规划的阿基米德螺线轨迹配合向心力引导的寻孔算法。在控制器响应确定的情况下,通过速度规划保证了充电枪与充电枪座之间的接触力恒定和运动稳定性;通过引入充电枪座对充电枪指向装配方向的反作用力即向心力,大幅度提升了寻孔算法的效率。实验结果验证了笔者算法的正确性、有效性。

考虑基础振动与惯量不确定的机械臂力位混合控制

针对机械臂与环境接触碰撞过程中受基础振动和负载惯量不确定性的影响,将机械臂末端的力控制和位置控制解耦到正交空间下,采用比例-积分加接触力前馈控制方法和一种基于隐式Lyapunov函数的控制算法分别进行力控制和位置控制,设计一种用于连续时变反馈机械臂位置控制的力位混合控制器;并在基础振动下与传统的机械臂力位混合控制器性能进行仿真对比,同时对负载惯量不确定情况下该力位混合控制器的性能进行仿真计算。结果表明,所设计的机械臂力位混合控制器能够抑制基础振动和负载惯量不确定性的影响,实现了机械臂在基础振动与负载惯量不确定情况下接触力和位置的同时控制;与传统的力位混合控制器相比,其在控制速度、控制精度和稳定性等方面均有明显提升,具有良好的鲁棒性。

考虑风扰的空中机械臂系统力位混合控制

针对空中机械臂系统接触作业问题,采用一个力位混合控制框架,在控制空中机械臂系统稳定飞行的同时,实现机械臂在接触过程中的轨迹跟踪,并与环境保持一定大小的接触力。首先,将作业空间分为2个子空间,分别进行接触力控制和位置控制。然后,借助比例-微分控制和接触力前馈控制实现对力的控制,对于位置控制则利用一种固定时间收敛的快速终端滑模控制方法来实现。最后,在风扰下对空中机械臂系统进行位置控制和接触力控制的仿真实验。结果显示,这种固定时间收敛的快速终端滑模控制方法能够有效抑制外界风扰的影响,实现位置和接触力同时控制。

基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术

外骨骼机器人的助力策略是影响外骨骼机器人助力效率的关键因素。相对于平地行走模式下的外骨骼机器人,坡地行走模式的助力机器人助力机理尚不明确。针对上述问题,以人体运动特征为切入点,研究坡地行走模式下的关节做功规律,阐述人体关节运动机理,并提出力位混合控制的四段式踝关节外骨骼助力策略。进一步研制柔性踝关节助力外骨骼机器人,并通过关节力矩与代谢试验验证该助力外骨骼机器人的助力效率。研究结果表明,坡地行走过程中,外骨骼机器人能够提供人体运动所需7%的关节运动力矩,并能够降低约3.5%的行走代谢能耗。

基于力位混合控制方法的建筑外墙智能打磨机器人系统研究

随着我国产业结构调整的不断深入,建筑行业正朝着高科技、高质量发展,建筑机器人是其中不可或缺的重要力量。本文介绍一种基于力位混合控制方法的建筑外墙智能打磨机器人,该机器人系统采用智能爬架和机械臂的复合设计方案,通过在试验场地测试,各项性能指标得到有效验证。

基于前馈补偿的3R机械臂力位混合控制研究

分别采用笛卡尔空间解耦控制法和参考力前馈补偿力控制法对3R机械臂进行了位置控制和力控制的混合控制。首先使用拉格朗日方程推导了3R机械臂关节空间动力学方程,进而利用雅克比矩阵推导了其笛卡尔空间规范化动力学方程,然后基于此模型在MATLAB/Simulink中建立了Sim Mechanics可视化仿真系统,接着采用笛卡尔空间解耦控制法对机械臂进行位置控制。为了减小干扰力对机械臂末端力控制精度的影响,利用一种基于参考力前馈补偿的机械臂力控制算法对其进行力控制。最后通过仿真结果验证了该机械臂力位混合控制算法具有响应速度快、超调量小、稳态精度高等优点,实现预期目标。

3RPS-SPS并联机构的力位混合冗余驱动控制

为了提升冗余并联机构的运动精度和承载能力,以新型3RPS-SPS冗余并联机构为对象,研究并联机构的驱动控制策略。首先,对该并联机构运动学进行研究,根据螺旋理论分析了机构自由度;其次,运用解析法获得并联机构位置反解和位置正解的解析表达式;第三,根据位置反解表达式,求导得到速度、加速度模型,并通过拉格朗日法建立并联机构的动力学模型;最后,提出冗余驱动控制方式下的驱动力分配方法,设计了力位混合控制策略,并搭建了基于Simulink的联合仿真系统进行仿真实验。研究结果表明:该机构具有2个转动自由度和1个移动自由度,在2个转动自由度上,机构旋转运动的角度最大误差分别为5.66×10^(-4)rad与3.45×10^(-4)rad,在移动自由度机构平移运动的位移最大误差为4.01×10^(-2)mm;所提出的力位混合控制策略的最大驱动力(66 N)小于传统位置控制策略的最大驱动力(190 N),并且机构驱动支链驱动力在力位混合控制策略下的分配更均衡。设计的控制策略使3RPS-SPS并联机构具有了较高的运动精度和较强的承载能力。

Vex4冗余驱动并联机构的动力学建模、力优化及力位混合控制

并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。

基于力位混合导向的工业机器人顺槽运动控制策略

针对工业机器人顺槽运动时受到多方向位置与力的混合约束问题,提出一种力位混合导向策略,并基于阻抗模型设计自抗扰控制器(ADRC)对该策略的力控制回路进行优化。在此基础上,基于双模糊结构对ADRC进行改进,得到一种开关式变论域模糊ADRC,以此增强工业机器人在进行力位混合控制时对未知环境的适应能力。最后,对所提出的算法进行性能仿真,并以手机射频线的顺槽装配为例进行实验。仿真和实验结果表明,相对于常规的控制方法,所提出的控制策略具备更加良好的力位混合控制性能,能够更好地应用于工业机器人的顺槽运动控制。

一种基于力/位混合控制进行插孔作业的策略

插孔作业是一种典型的机器人操作．在工业化机器人装配中存在大量插孔类的作业．由于位置误差的存在，小间隙比插孔作业的成功率并不高．本文从分析插孔失败的原因入手，提出了一种成功率很高的基于力／位混合控制的插孔策略．实验验证了策略的有效性．

基于速度闭环的自适应力位控制算法

针对力觉主手力控制中接触刚度时变的特殊要求,提出了一种含有速度闭环的自适应力/位混合控制算法.通过构造系统特定的标量函数,证明可以通过选择合适的自适应参数更新律,使得在该控制律和更新律的共同作用下追踪力误差是有界的,力误差的导数是平方可积的.利用Barbalat引理证明了该控制算法具有全局渐近稳定性.给出了主手力控制系统的体系结构,并对不同频率正弦力信号进行了跟踪实验.实验结果表明:对于同样频率的力信号,所提出的方法跟踪误差小于常规阻抗控制方法,整个控制系统稳定并具有良好的控制特性.实验分析了控制律中各关键参数对控制品质的影响.

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。

轮式并联调姿机器人冗余控制策略研究

针对大型精密复杂零部件的集成装配,提出一种将全域全向运动与调姿微运动融合于一体的轮式并联调姿机器人。通过共享部分自由度方式将全向运动特征融合于并联机构,解决大范围任意方向移动与小空间内精密调姿高效连续操作的问题;针对轮式并联调姿装备的定平台开放特性与冗余特征,设计基于力位混合的单分支与整体冗余控制策略,选取并优化轮式并联调姿机构的主动输入方式,基于螺旋理论对位置控制轴的选取合理性进行分析,评估2种控制方式在不同的末端姿态域内的性能,得到设备在不同目标姿态时力位混合控制主动输入选取策略。基于ADAMS与Simulink软件搭建环境一致性良好,可控制较强的机电一体化模型,验证轮式并联调姿装备采用力位混合控制策略可行性与设备调姿精度。工程样机实验结果验证了所提出的冗余控制策略能够实现轮式并联调姿机器人功能,保证了调姿精度,为开发具有高可靠性、大尺度、重载荷、高精度同时兼具高精度全向运动和精密调姿功能的高效连续作业特征的6自由度并联调姿、对位、装配智能机器人奠定了理论与实践基础。

基于力反馈设备的工业机器人遥操作装配系统实验研究

采用工业机器人执行某些危险或复杂环境下的装配任务时,需要通过遥操作机器人进行装配,为此,提出了一种基于力反馈设备的工业机器人遥操作装配系统。首先,基于该装配系统,建立了遥操作力反馈设备位姿坐标系与机器人末端坐标系间的位姿转换矩阵,将主端的位姿信息映射到机器人末端执行器,从而驱动机器人完成了装配任务;然后,引入了力位混合控制器,并结合力和位置控制策略,通过选择六维方向控制模式,实现了对机器人位姿进行柔顺控制的目的;最后,搭建了机器人遥操作装配平台,进行了工业机器人的装配实验,对该装配系统能否满足工业机器人遥操作装配的需求进行了验证。研究结果表明:采用该工业机器人遥操作装配的系统中,平均位置误差为1.121 mm,平均角度误差为0.589°,具有良好的控制精度;采用该力位混合控制器后,装配的成功率提升了30%,并且成功装配的平均时间缩短了6.7 s,有效提升了装配的完成效率和完成质量。

冗余驱动并联机构的驱动力协调性优化控制方法

考虑到冗余驱动并联机构的驱动力协调性问题,提出了一套针对其驱动力协调性的优化控制方法。首先通过分析冗余驱动并联机构的结构和控制特点,设计了一种力位混合驱动的控制方法。在此基础上,通过运动学与动力学分析,找到机构驱动力协调性与末端运动轨迹之间的联系。然后,利用B样条曲线对机构末端运动轨迹进行了参数化表达,并以驱动力协调性为目标函数,利用免疫算法进行了优化求解。最后,以轨迹优化结合力位混合控制,实现了冗余驱动并联机构的驱动力协调性优化。

SMA人工肌肉模块的热力学分析及力位特性研究

设计了一种SMA人工肌肉直线驱动模块,其具有能量密度高、带载能力强、无声操作、力位输出可控且具备自感知能力等一系列与肌肉极为相似的特性。依据电热驱动原理,通过COMSOL Multiphysics热力学仿真,分析了人工肌肉模块工作过程中的热传递情况及热积累现象。对人工肌肉模块进行了力位输出特性的探究,根据人工肌肉模块的组成特点,提出了一种力位混合控制策略。并将人工肌肉模块与该控制策略应用到单自由度的仿生脚踝中,验证了人工肌肉的驱动性能及力位混合控制策略实现力位分阶可控输出的可行性。