基于在线学习的离散时间人机协作系统预定性能柔顺控制

为了使人机协作系统中机器人能够准确地顺应人类行为,提出了一种基于在线学习的离散时间预定性能柔顺控制方法。该方法在外环采用在线顺序极限学习机算法估计人类行为,并将估计结果结合参考阻抗模型来重建参考轨迹。在内环建立了离散时间预定性能控制器用于跟踪重建后的参考轨迹,并利用时间延迟估计来获得机器人复杂的未知动力学模型。分析了闭环系统的瞬态和稳态性能,通过对比仿真验证了该方法的有效性。所提的离散时间控制方法可更好地满足数字计算机的工作原理,在减少计算和内存负担的基础上,使得机器人末端执行器的跟踪误差能够满足预设性能要求。此外,该方法无需机器人精确的数学模型,同时还能减轻人类操作机器人的力量负担,保证人机协作的柔顺性。

离线编程的弧焊机器人焊枪姿态主动柔顺控制方法

为降低焊枪冲击力,设计离线编程的弧焊机器人焊枪姿态主动柔顺控制方法,提升主动柔顺控制效果。实验证明,该方法可精准完成焊枪姿态主动柔顺控制,且焊枪姿态运动轨迹较为柔顺。在不同焊接速度下,该方法主动柔顺控制误差均较小,具备较优的控制效果。在存在扰动的情况下,该方法也可快速完成控制,且控制超调量较小,抗干扰性能较优。

基于机器视觉与柔顺控制的在轨轴孔对接技术研究

在轨卫星燃料加注作业涉及失重环境下航天器间多管道同时对接的问题,对此设计了一种可固连辅助牵引/排斥对接作业系统。通过基于边缘信息的模板匹配算法和基于相机小孔成像模型的位姿测量算法进行非合作目标的视觉引导,在机构间建立牵引/排斥作用后,使用引入比例微分控制器的导纳控制算法进行多管道的柔顺插入与分离;借助搭载单目相机以及末端六维力传感器的机械臂实物平台进行验证实验。结果表明:视觉测算的水平方向误差不超过4 mm,可满足后续作业的初始位姿需求;柔顺控制算法能够避免作业过程中的卡阻问题,并将对接机构间的相互作用力与力矩分别保持在20 N以及0.8 Nm以内。系统能够在减少航天器间姿轨扰动的前提下完成小间隙长进深的多管道对接任务。

水下液压机械臂主被动柔顺控制系统设计与验证

水下液压机械臂是用于水下特种作业的重要装备。目前控制液压机械臂进行水下作业时主要基于视觉反馈来确定作业位置,由于摄像头畸变、水流干扰等存在多种作业误差,容易在抓取、定位等作业时产生卡滞、楔紧等问题,严重影响作业效率和安全性。对此,提出了一种面向水下液压机械臂的主被动柔顺控制方法。通过末端夹具设计,补偿定位误差和偏转误差,实现被动柔顺;基于虚拟解耦控制方法建立精确位置控制器,结合接触力观测器和变阻抗控制,实现主动柔顺。实验验证了主被动柔顺控制的有效性,为水下液压机械臂的安全柔顺控制作业提供了参考。

基于阻抗模型的卧式康复机器人柔顺控制

为满足脑卒中患者早期卧床康复需求,结合临床康复手法与人机工程学,设计了一款卧式康复机器人。该卧式康复机器人可以提供单腿屈髋屈膝运动、卧式步态运动、桥式运动等多种有效的康复动作。为确保训练的安全性以及改善在训练过程中由人机交互作用带来的舒适度和柔顺性差等问题,采用一种基于阻抗模型的柔顺控制方法。将人与机器人之间的交互视为一种虚拟的阻抗模型,即二阶质量-弹簧-阻尼模型,并基于该阻抗模型进行康复机器人的柔顺控制研究。该柔顺控制策略由外环阻抗控制器和内环PID控制器组成,外环的阻抗控制器通过将人机交互力作用在阻抗模型上,实现根据人体意图对运动轨迹进行改变,而内环的PID控制器主要实现对生成的期望轨迹进行稳定跟踪。通过实验证明了基于阻抗模型的卧式康复机器人柔顺控制的有效性。

基于机电液联合仿真的铁钻工柔顺控制研究

铁钻工在运行过程中存在较大的负载扰动,且特定工况下需要实现力控制,控制精度达不到期望要求,容易造成管道损坏。对此,采用阻抗控制方法控制铁钻工的运动,研究液压缸的位移与力跟踪性能。通过建立铁钻工机构运动简图,并利用解析法求得正逆运动学方程。为了提高运动轨迹柔顺性,采用五次多项式插值方法对铁钻工进行运动轨迹规划。设计阻抗控制方法,内环通过PID控制器进行位置控制,外环控制力。通过AMESim和Simulink分别建立铁钻工动力学模型、液压系统模型及阻抗控制模型,通过联合仿真模拟铁钻工运行过程。结果表明:铁钻工在未与环境接触工况下及环境接触工况下均具有良好的位置控制精度,与不采用阻抗控制器相比力跟踪精度提高了42.4%。

空间动态附着机器人自适应变阻抗柔顺控制方法研究

为解决机器人对空间站等航天器维护任务中的缓冲着陆问题,设计了一种可在较高速飞行条件下对目标航天器进行柔顺附着的空间动态附着机器人。基于并联腿式的附着机器人,研究并建立并联腿的运动学和接触碰撞力模型,得到关节电机输出力矩与足端接触力的映射关系;针对高速碰撞过程中接触力和位置控制需求,设计了一种自适应变阻抗柔顺控制方法,研究在空间微重力环境下的低扰动柔顺附着过程。实验结果表明:与定阻抗参数控制方法相比,自适应变阻抗柔顺控制方法可以有效抑制碰撞瞬间产生的峰值力,提高了动态附着过程的平缓性,实现对目标物的低扰动柔顺附着。

基于力柔顺控制的断路器轴孔零件装配算法

针对双臂机器人断路器轴孔零件装配操作任务,研究了一种两阶段轴孔装配轨迹规划策略,为了提高双臂协调装配作业的柔顺性和精确性,提出一种FAIC控制算法,实现精确的力跟踪。首先建立轴和孔接触状态力学模型,开展轴孔装配机理研究,根据双臂末端受力平衡,提出了一种操作空间轴孔装配的双臂运动轨迹规划方法。基于阻抗控制实现柔顺轴孔装配,采用模糊控制器在线辨识阻抗控制最优参数,提高装配操作质量。实验结果表明,在双臂协作轴孔装配策略结合FAIC算法作用下,轴孔间接触力控制在3 N以内,装配效率提高36.5%。综上所述,本文提出的FAIC算法与装配策略在双臂协同断路器装配作业中有效地缩短磁组件的装配时间,提高装配效率与精度。

基于柔顺控制的智能神经导航手术机器人系统设计

机器人辅助微创手术,因其低侵袭性而变得越来越普遍。然而,因定向障碍和缺乏导航信息限制了其在经自然腔道手术的进一步应用。自然腔道解剖结构复杂,机器人末端的手术器械易损伤周围血管和神经。本研究设计了一种智能控制导航手术机器人系统,使用可靠和安全的定位技术、7自由度机械臂以及避免关节角度限制的逆运动学控制策略,以实现高灵活度的机械臂控制。基于患者术前影像进行手术导航与手术规划,并通过阻抗柔顺控制将患者与手术器械的接触力限制在一定范围内,实现保护患者的正常组织。为了提高手术精度并缓解医生的手术强度,智能语音控制实现术中手术器械位置和姿态的微小调整。基于体模和尸头实验进行系统的有效性验证。结果显示,本系统的定位误差小于1 mm,轨迹追踪角度误差小于2.5°,术中导航可进行实时手术靶点与器械跟踪,阻抗柔顺控制可将手术器械与患者之间的接触力降低在1.2 N以下,基于语音识别的精细调控可以满足术中对手术器械运动控制的要求。本研究的结果初步表明,所设计的手术机器人系统在机器人辅助微创手术中具有潜在的应用前景。

空间约束下多关节机械臂架末端柔顺控制方法

多关节机械臂的运动具有惯性和延迟特性,由于机械臂的质量分布和关节间的连接方式等因素,导致当控制信号发生快速变化时,机械臂需要一定的时间来响应并改变自身的状态。这种延迟导致机械臂在控制过程中出现过度振荡现象,从而严重影响机械臂的控制精度。为满足该类型机械臂良好的动态响应能力,以空间约束为前提条件,设计一种新的柔顺控制方法。根据多关节机械臂的驱动机构结构,计算机械臂末端与物体间直线距离。将其作为末端位置的限制参量,建立闭环向量约束方程。基于最小能量法设计全局搜索策略,对机械臂运动轨迹实现约束。基于此,结合比例-积分-微分控制技术(Proportional-Integral-Differential,PID)与递推最小二乘法,设计臂架末端的柔顺控制方法。在模拟场景与真实场景中分别完成研究方法的性能测试。测试结果显示,该方法控制下的末端移动轨迹更佳,回形和环形轨道上的平均误差仅有0.954mm、1.036mm,多关节机械臂架的真实应用场景下,研究方法控制下机械臂末端安装的螺栓轴线与栓孔轴线间的水平偏差仅有0.23mm,控制精准度能够保证高精度操作任务的准确完成。

机器人磨抛力主动柔顺控制研究进展

针对机器人磨抛过程中的力控制问题,本文总结了目前机器人磨抛力的监测方法,介绍和分析了主动柔顺控制技术中的两大经典力控制理论,并阐述了基于神经网络、模糊跟踪、PID等智能磨抛力控制策略的研究,提出了机器人磨抛力控制的关键性问题,对多维传感器解耦与融合检测技术、主-被动柔顺控制技术、机器视觉磨抛环境检测技术等进行展望,为未来机器人磨抛技术的研究提供了一定的指导。

机器人柔顺控制研究

回顾了机器人柔顺控制研究历史．介绍了目前的研究现状，详细分析了现有的４种研究策略，提出了机器人主动柔顺控制的４大关键问题。

踝关节康复机器人主动训练柔顺控制研究

为保证踝关节康复机器人能为主动康复训练的患者准确提供任意性质的训练力,以气动肌肉冗余并联驱动踝关节康复机器人为对象,研究无误差力跟踪方法和主动训练柔顺控制策略。建立了踝关节康复机器人的动力学模型,基于阻抗控制理论研究了无误差力跟踪的轨迹规划方法,运用李亚谱诺夫稳定性理论提出了气动肌肉冗余并联驱动的柔顺控制策略,以助力和抗阻两种主动训练模式为例,进行了康复训练控制仿真,结果表明,所提出的力跟踪方法和柔顺控制策略不仅能确保主动训练的安全性,还能为训练提供任意而准确的助力和阻力。

机器人无力传感器主动柔顺控制研究

针对机器人系统对柔顺性、安全性的要求,提出了一种基于电机电流的机器人主动柔顺控制方法,并采用硅片传输机器人进行拖曳式示教和碰撞保护实验。首先通过磁场定向控制(field oriented control,FOC)将永磁同步电机的转矩模型化为较为简单的形式,同时机器人的动力学模型也可根据硅片传输机器人特殊的构型及关节耦合关系而大大简化。然后将永磁同步电机的转矩模型与机器人动力学模型结合,设计扰动观测器,进行基于电流模型的转矩检测。最后将转矩观测器与力/位混合控制结构结合,实现基于电机电流的机器人主动柔顺控制,并在硅片传输机器人进行实验,实际运行结果验证了该方法的有效性。与传统机器人主动柔顺控制方法相比,该方法不需要额外的传感器,成本低廉,不降低机器人自身刚性,具有广泛的适用性。

基于粒子群算法的阻抗控制在机械臂柔顺控制中的应用

阻抗控制策略是实现机械臂的末端力柔顺控制的一种重要方法.然而,针对阻抗控制参数的确定,目前尚缺乏通用算法.粒子群算法具有概念简单、易行、鲁棒性好等特点,适用于阻抗控制参数的确定与优化.通过分析基于力反馈的笛卡尔空间阻抗控制结构,采用粒子群算法整定阻抗控制参数.结合阻抗控制自身特点对粒子群算法做了相应改进,并通过仿真验证了优化后的阻抗控制算法可实现对七自由度机械臂的柔顺控制且具有较好的鲁棒性.

末端F/T传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法

为了实现机械臂重力环境下的大范围柔顺控制,提出了一种基于末端受力/力矩(F/T)传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法,将机械臂末端力的控制以关节空间基于位置的阻抗控制策略实现。采用基于机械臂运动学的方法对末端重力进行实时补偿,去除末端重力对F/T传感器测量值的影响,并将各方向F/T测量值转换到基坐标系下,然后根据基坐标系下各方向F/T情况,修正末端位姿,并将修正后的末端位姿反解到关节空间,通过各关节位置控制器实施柔顺控制。实验结果表明,该方法能够实时补偿重力对机械臂末端F/T传感器测量值的影响,使机械臂在重力环境下不借助任何外部设备,实现任何末端位姿下的柔顺控制,证明了该方法的有效性和可行性。

基于非接触自适应阻抗控制的液压机械臂 主/被动联合柔顺控制

本文引入非接触阻抗控制理论对间接自适应阻抗控制进行改进从而获得非接触自适应阻抗控制。借助MATLAB/simulink仿真平台,将非接触自适应阻抗控制作为液压机械臂的主动柔顺控制并与关节的被动柔顺控制相结合,从而实现对关节的主、被动联合柔顺控制。仿真结果表明,主、被动联合柔顺控制效果较理想,可使机械臂在与环境接触时兼具较好的运动性能与较高的安全性能。

一种不平整地形下足式机器人的主动柔顺控制方法

为实现足式机器人在不平整地形下的稳定行走,提高机器人对不平整地形的适应能力,提出一种主动柔顺控制方案,包括基于关节空间的主动柔顺控制、机身姿态柔顺控制和关节PD控制。根据足式机器人运动学模型设计平地步态,作为机器人不平整地形下前进的主步态;通过采用基于关节空间的主动柔顺控制方法和机身姿态柔顺控制方法,生成关节角度和角速度修正量,进而得到腿部关节跟踪指令;利用虚拟样机技术对多种地形进行仿真,仿真结果表明采用提出的主动柔顺控制方法提高了机器人对不平整地形的适应性。

铝轮曲面主被动柔顺控制抛光方法

利用主动柔顺控制抛光的优点,建立了一种主被动柔顺控制抛光模型,采用力外环-位置内环控制策略对抛光过程作用力进行控制,提出了基于内模控制的力控制器设计方法,实现了对抛光力的无静差跟踪。实验结果表明,该方法有效提高了铝合金汽车轮毂(铝轮)曲面抛光的质量和效率,验证了力控制器设计的合理性。

一种被动柔顺控制的平面研磨力/位控制方法

针对平面研磨的加工特点和工艺要求,提出了一种基于被动柔顺控制的立式数控平面研磨机力/位控制方法。通过分析被动柔顺控制原理,建立了平面研磨加工的阻抗模型,进而得出能够使研磨加工处于动态平衡状态的工艺参数组,消除平面研磨中力与位的相互影响。试验结果表明该方法能够稳定控制研磨压力,定位精度良好,被加工件获得了较好的表面粗糙度,能够满足一般研磨的加工要求。与常用立式研磨机的控制方法相比,该方法能够在位置伺服状态下,避免使用专门的研磨压力控制设备,简化机床硬件和操作流程,提高加工效率,降低生产成本,具有良好的推广和应用前景。