基于三阶超螺旋滑模观测器算法的机器人力矩估计方法

本文研究了六自由度(6-DOF)机器人关节力矩估计问题.为了提高机器人关节力矩估计精度,本文设计了一种三阶超螺旋滑模关节力矩观测器.在对观测器系统进行稳定性分析时,本文设计了一种新的Lyapunov函数证明了观测器闭环系统的稳定性.与已有的机器人力矩观测器结果不同,该力矩观测器仅以机器人关节角度作为观测器输入信号,减少了对机器人系统信息的依赖.最后,以6-DOF工业机器人为对象,开展实验验证.实验结果表明,与传统线性力矩观测器相比,本文提出的滑模力矩观测器估计误差小,验证理论的正确性.

基于自适应力矩估计的模块化机器人系统阻抗控制

在使用谐波传动装置估计关节力矩过程中会受到噪声干扰,针对系统噪声和测量噪声模型不准确使得卡尔曼滤波辨识误差增大的问题,设计了基于Sage-Husa的自适应卡尔曼滤波算法。将谐波传动装置估计的力矩分别应用基于Sage-Husa的自适应卡尔曼滤波器以及卡尔曼滤波器进行处理,分析了两种算法对传感器测量数据降噪的性能,实验证明,基于Sage-Husa的自适应卡尔曼滤波器对测量数据曲线拟合度与平滑性优于卡尔曼滤波器,能够更有效地对随机突变噪声进行降噪处理。同时根据机器人在接触操作物体进行移动时会产生偏差,导致两者之间存在相互作用力,过大的作用力会对操作的物体产生破坏,使用阻抗控制技术使机器人的末端接触力保持在合理范围内,能更好地跟踪期望轨迹。为了减少系统中的抖振现象,提高机器人位置跟踪精度,提出了一种基于自适应滤波的阻抗控制方法,对机器人的运行轨迹进行较好跟踪。

基于H_∞滤波的传动力矩估计

针对发动机传动系力矩无法直接测量问题,提出基动力学分析方法,建立传动系扭矩估计系统数学模型,针对未建模动态和参数蠕变等不确定因素,设计H_∞滤波器估计传动系的输出力矩,仿真结果表明,设计的H_∞滤波器能有效模拟传动系力矩的变化趋势。

软质肘关节外骨骼的肌力矩估计与神经网络补偿协调控制

为辅助偏瘫患者进行多模式肘关节康复训练,研制了一种软质肘关节康复外骨骼机器人,并提出了一种基于人体肌力矩估计与自适应神经网络补偿的协调控制策略。利用表面肌电信号来识别人体的运动意图并调整康复训练轨迹,采用Lyapunov方法证明了控制算法的闭环控制稳定性。搭建了实时控制实验平台,并开展了基于运动意图的轨迹跟踪实验与自由主动训练实验。实验结果表明,所提控制策略能保证被动训练过程的轨迹跟踪精度,并且可以根据患者的运动意图调整主动训练过程的运动轨迹,实现不同强度的主动康复训练。

估计力矩反馈在CMG框架伺服系统中的应用

磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,CMG)框架伺服系统的速率精度直接决定了陀螺输出力矩的精度。针对谐波减速器非线性扭转刚度引起框架系统速率精度低的问题,提出了一种基于估计力矩反馈抑制速率波动的控制方法。首先建立了带有非线性扭转刚度的框架系统动力学模型,提出一种基于离散非线性跟踪微分器估计角加速度并进行力矩反馈的方法。然后在Matlab中进行仿真分析,并在单框架磁悬浮CMG上进行试验。试验结果表明,加入估计力矩反馈后,系统动态响应性能得到提高,超调减小;框架角速率给定为10°/s时,速率波动量降低了42%。该方法可有效的提高CMG输出力矩的精度。

一种面向应用的电动车窗防夹控制算法研究

为避免人和物在电动车窗玻璃上升过程中被夹伤,研究了一种面向工程应用的电动车窗防夹控制算法.首先应用滑模估计器对电动车窗不确定的外部扰动力矩进行估计,然后根据实验确定摩擦力矩的特性,并结合频谱分析结果,探讨了将摩擦力矩从估计出的外部扰动力矩中分离出来的方法,提高了对路面干扰力矩和障碍物阻挡力矩的估计精度,进而给出了一种新的车窗防夹算法.实验结果表明,该方法可行、有效,具有计算速度快、易于实现、占用内存少等优点,便于工程应用.

外骨骼柔顺膝关节作动机构研究

外骨骼关节的柔顺性在适应穿戴者不同运动状态和人机相容性方面至关重要,然而,常见的刚性机构和被动柔顺机构不能够实时反馈人机交互力从而达到主动柔顺的目的。设计了一种主动柔顺膝关节作动机构,利用拮抗驱动原理结合曲柄滑块的力位转换能力,使其不仅能够达到利用传统串联弹性驱动增加机构柔顺的目的,还可以通过该柔顺机构实时计算人机交互力。实验证明了该柔顺机构的可行性和有效性。

一种柔性踝关节助力机构研究

为解决传统的刚性外骨骼助力机构限制人体关节运动的自由度和大幅增加人机惯量的问题,设计了一种柔性踝关节助力机构,并提出了一种根据足底压力传感器估计踝关节力矩大小和变化趋势的算法。最后,通过实验证明了这种踝关节助力机构的可行性和有效性。

面向航空防护救生的软质外骨骼助力控制策略研究

本文设计了一种面向航空防护救生领域的可穿戴软质外骨骼系统,该系统包含软质外骨骼服、数据采集系统、传感检测模块以及控制模块。提出了基于关节力矩估计的助力控制策略,主要包括对肌电信号的采集、滤波和非线性映射。最后通过试验验证了此系统在轻度、中度以及重度负载下都有一定的助力效果,满足航空防护救生系统减轻飞行员肌肉疲劳,增强其自然作业能力,保证飞行员安全的需求。

基于线性自抗扰控制的柔顺伺服控制研究

对于机器人关节的主动柔顺控制的建模误差、电机系统参数变化及驱动器层高采样频率和高控制频率引入的系统扰动影响等诸多问题,提出一种基于线性自抗扰控制的柔顺控制方法。通过控制底层驱动器交轴电流实现柔顺控制,设计外力矩观测器可以实现无力传感器条件下的实时力矩估计,以达到柔性关节驱动的目的。实验对比了刚性位置控制与柔顺控制在相同阶跃输入下的位置与电磁转矩响应,验证了提出柔顺控制方法的有效性。此外,探讨了阻尼系数和刚度系数对柔顺控制的位置响应和电磁转矩响应的影响。最后在单自由度系统进行实验验证,实验结果验证了方法的有效性。