主从遥操作下双臂机器人的阻抗控制策略研究

在遥操作机器人系统中,从端机器人不仅需准确地跟随主端设备的运动,还需与外界环境保持合适接触力,以避免因接触力过大对机器人和环境造成破坏.由于遥操作机器人系统中主从端设备是分离的,要实现遥操作下柔顺接触是极具挑战的.为了提高遥操作机器人系统任务执行的安全性,本文结合运动映射提出一种主从遥操作下阻抗控制策略.首先,通过提出主从端运动映射策略,将主从端设备联系起来,并获得从端机器人运动的目标位姿.接着,为了实现机器人末端执行器与环境的柔顺接触,提出阻抗控制策略,建立机器人与外界环境之间的位置和接触力的动态响应关系.同时,引入虚拟排斥力,让从端机器人的双臂在可行的空间中运动,从而提高了机器人操作的柔顺性和安全性.设计了机器人拖拽和白板擦拭两个实验来验证方法有效性.实验结果表明,所提出方法可实现机器人在具有接触的任务中的柔顺操作,可提高操作的安全性.

空间机动目标双臂协调柔顺操作控制方法

针对被操作目标运动状态变化导致双臂与目标间内力发生突变的问题,提出了一种空间机动目标双臂协调柔顺操作控制方法。首先,针对空间双臂协调柔顺操作任务,分别建立双臂空间机器人开链动力学模型和闭链动力学模型;其次,考虑目标机动产生的扰动,设计阻抗参数自主调整策略,在双臂末端与目标间作用力发生较大变化时,可以保证双臂协调操作任务的平稳性和安全性;最后,搭建双臂协调柔顺操作地面物理试验系统,并开展物理仿真试验验证,试验结果表明了本文所提方法的有效性。

双指柔顺夹持手结构设计及其力感知

针对机械手抓取形状多样化的目标件和调整夹持力大小的问题,设计了一种具有力感知的复合驱动双指柔顺夹持手。首先基于人手指关节双指贴合抓取原理,分析不规则目标件外形轮廓抓取特征,提出一种复合驱动的双指柔顺夹持手结构;其次根据柔顺夹持手驱动特点和夹取力的控制要求,采用气缸与步进电机相结合的混合驱动方式,并结合夹持手力传感器反馈,实现对不规则形状目标件的包络贴合抓取;最后对所设计的复合驱动双指夹持手进行了样机研制和力感知柔性抓取验证,测试结果实现夹持手指根节角度调整范围为-15°~15°,夹持手接触力传感器测试误差5%左右。该夹持手结构为精准夹取形状多样性的目标件提供了可靠的技术支撑,也为多指夹持手机构设计和夹持力感知研究提供了理论借鉴。

压电双轴驱动柔顺微夹钳设计与控制

提出了一种压电双轴驱动对称结构的柔顺微夹钳。该微夹钳由2个对称分布的桥式放大器组成,每个桥式放大器分别连接到一个杠杆机构来放大输出位移。利用虚功原理和拉格朗日方程建立运动学和动力学模型。考虑到各参数对机械结构的影响,分析机构的静力学和动力学特性,同时采用有限元方法对建立的模型进行评估和验证。为了进一步揭示所设计的微夹钳的性能,利用线切割方法加工出了微夹钳样机。采用动态面控制算法对系统进行了一系列控制实验来说明微夹持器的运动特性。结果表明:微夹持器的左、右放大器的放大倍率分别为11.25和11.67,其位移跟踪性能好,通过夹持纸片,检测了末端微夹持力的大小,验证了前面设计分析的正确性和可行性。

考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计

拓扑优化设计的压力驱动柔顺机构拓扑构型容易出现类铰链结构,导致难以制造加工。为了满足制造工艺要求,提出一种考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型,利用达西定律结合排水项计算流体压力载荷,以机构的互应变能最大化和应变能最小化为优化目标,采用Otsu算法和拓扑细化算法提取柔顺机构的骨架特征,从而构建最小特征尺寸控制,以结构体积和最小特征尺寸作为约束,建立考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化模型,采用移动渐近线算法进行压力驱动柔顺机构拓扑优化问题求解。数值算例结果表明,所提设计方法获得的压力驱动柔顺机构最小特征尺寸满足约束,能够有效地抑制类铰链结构,并且分析不同最小控制尺寸对柔顺机构拓扑优化结果影响规律。

未知崎岖地形下四足机器人复合抗扰柔顺控制

为使四足机器人能够在未知崎岖地形中以对角(Trot)步态柔顺且稳定地行走,提出了一种复合抗扰柔顺控制策略。首先,四足机器人的机身和支撑相采用内外环分层控制策略,外环采用全局快速终端滑模控制器来控制机身的位姿,以使机身位姿快速精确地收敛到平衡状态,并通过设计非线性干扰观测器来消除系统不确定性和外界扰动,以进一步提高系统的鲁棒性;其次,内环采用基于力的PD控制器,以使支撑相的足端接触力能够跟踪滑模控制器所需的期望力,实现足端与地面的软接触,减少对机器人的冲击;同时,摆动相采用具有相同主动柔顺性的阻抗控制器;最后,采用MATLAB/Simulink进行了对比仿真实验,结果表明在所提控制策略下,四足机器人在未知崎岖地形中行走具有良好的鲁棒性和柔顺性。

基于快速终端滑模的机器人柔顺磨抛阻抗控制

为提高磨抛机器人在未知干扰和建模不确定性下的动态柔顺性能,实现高精度的自动磨抛,提出了一种主动柔顺模糊自适应变阻抗控制方法。以阻抗控制为基础,引入快速终端滑模进行运动控制,以提升控制系统鲁棒性与响应速度,基于指数趋近率,采用连续的双曲正切函数代替符号函数建立带有抑制抖振功能的控制律;在此基础上,采用模糊控制调节阻抗参数来提高系统响应时间和减少超调量,设计了模糊自适应变阻抗模块,定义了模糊规则。通过李雅普诺夫函数验证了控制器稳定性。进行了Simulink仿真对比实验,结果表明,相较于PID,所提方法在响应速度方面提高了37.2%,超调量降低了20.5%,累计误差方面也有明显改善,有利于提高磨抛表面的一致性和磨抛精度。

立足合规运营和风险防控的现代企业制度建设

内控控制是企业运营和各项管理工作的基础,建立运行完善的内部控制管理体系并持续优化,是公司不断提升治理水平和核心竞争力的关键。近年来,山东海化集团有限公司以国有企业改革三年行动为契机,立足股权划转以来的新形势、新任务、新要求,奋力在内控制度体系建设领域改革创新,把党的领导融入公司治理,加快推进内控信息化建设,与内控审计、风险管理、纪检监察及各类专项检查联动,推动内控评价融入日常管理,充分发挥KPI业绩考核的“指挥棒”作用。2021年以来,“覆盖全面、权责明确、路径清晰、简洁高效”的内控制度体系逐步形成,并助力企业筑牢风险防线,形成了独具特色的内控管理文化,为企业经济效益迈上新台阶贡献价值。

关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足,导致其地形适应能力不强,运动柔顺性能不高。为此,开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验,基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析,提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则;基于低惯量单足结构设计,通过优化机器人机体布局,提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构;基于六足机器人直行和转向运动步态,规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹,提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明,六足机器人结构设计合理,能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

基于卡尔曼滤波的机器人自适应控制方法研究

针对机械臂在工作过程中与环境交互的力柔顺控制问题,提出了一种基于卡尔曼滤波的自适应阻抗控制算法,完成了在环境位置与环境刚度未知的情况下对恒力的稳定控制。首先,构建了机械臂与环境接触的阻抗控制模型,建立了力与位置之间的关系;然后,建立了自适应阻抗控制模型,根据机械臂力跟踪误差与位置误差,对机械臂接触的环境位置和环境刚度进行了估计,对机械臂控制位置进行了更新,再将阻抗控制算法离散化,并利用卡尔曼滤波对阻抗控制系统状态进行了预估和校正;最后,仿真验证了自适应卡尔曼滤波阻抗模型的稳定性与有效性,并运用机器人进行了跟踪实验,对不同环境参数下的恒力跟踪效果进行了验证。研究结果表明:基于卡尔曼滤波的自适应阻抗控制算法对力跟踪误差可以达到5%以内,在斜面环境下的收敛速度可提高61.5%;与传统阻抗控制相比,该控制算法的抖动更小、收敛速度更快,能够实现理想的恒力控制效果。

基于拓展社会力的机器人柔顺跟随与避障控制

人机共融是新一代机器人的重要特征。针对跟随型移动机器人在人机共融环境中的跟随与避障控制问题,提出一种基于拓展社会力模型的柔顺跟随与避障控制策略。基于阻抗控制设计可同时控制人机交互力和位置偏差的跟随控制器,实现了移动机器人的柔顺跟随。考虑“人-机器人-障碍物”三者的交互作用,基于拓展社会力模型和空间关系学设计人机友好的柔顺跟随避障控制策略,有效解决跟随机器人的避障问题,同时保障了人的舒适性,提升了跟随机器人的社会接纳度。仿真结果表明:该策略可以实现人机友好的柔顺跟随避障控制。

基于导纳控制的薄壁变形套筒柔顺装配方法

针对薄壁套筒本身在装配过程中易变形而导致装配困难的问题,提出一种多维方向的离散化导纳力控制装配方法。首先,描述薄壁套筒工件装配过程中因变形产生的问题;然后,利用力变换方法将力和力矩信息转换到工作坐标系上,采用螺旋搜索方式进行套筒预插入,通过导纳控制方法建立“接触力-机器人动作”关系模型;最后,在薄壁套筒对接装配实验平台上进行测试验证。结果表明,机器人采用导纳力控制的方法可以获得末端姿态调整的策略,完成薄壁变形套筒装配,不同位置、角度偏差下的套筒平均装配成功率接近90%。

基于虚拟模型的四足机器人控制策略

为提高四足机器人在对角小跑(Trot)步态下的行走稳定性,并减小控制策略的复杂程度,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人控制策略;将四足机器人控制策略分为支撑相及机身运动控制、摆动腿相运动控制及足端轨迹规划三部分;在Trot步态下行走时支撑相中存在的前后对角支撑足,在分析四足机器人支撑足受力情况后,并添加相关的约束条件,实现了四足机器人足端力及力矩可控;并通过在四足机器人机身的质心位置添加相应的虚拟弹簧阻尼组件,实现了四足机器人姿态和高度控制;通过在摆动腿足端实际位置与环境之间添加虚拟的弹簧阻尼组件并结合足端轨迹规划实现了四足机器人柔顺行走以及足端轨迹跟踪精确性;通过Matlab和CoppeliaSim建立联合对比仿真验证了控制策略的有效性和优越性。

基于环境参数估计的月季采摘柔顺抓取研究

为了降低抓持力控制偏差,从而避免机器人柔顺抓取系统在采摘过程中损伤月季花梗,在传统阻抗控制基础上引入环境参数估计实现柔顺抓持力控制。通过梯度下降法在线估计弯曲刚度并修正参考位置以降低抓持力稳态误差。在MATLAB/Simulink中进行抓取系统仿真。结果表明:所使用的改进阻抗控制算法相对于传统阻抗控制算法能有效减小稳态误差,11个不同刚度参数花梗的抓持力上升时间都在0.42 s以内、超调量在20%以内。最后,实验验证了系统能实现低稳态误差的抓持力控制,能满足月季采摘的要求。

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。

基于自由度约束与正弦摩擦补偿的遥控器装配策略

为解决遥控器装配等组装场景非规则外形零件装配问题,提出一种基于自由度约束与正弦摩擦补偿的装配策略设计方法。首先,该方法分析待装配体几何特征,利用接触状态的自由度约束方程设计装配动作,通过不同接触状态之间的迁移逐步约束待装配体之间的相对自由度;之后,针对常用摩擦力补偿算法受静摩擦力影响较大问题,提出一种基于正弦摩擦补偿的摩擦模型,用于补偿静摩擦力。同时,基于无力传感器的关节阻抗算法框架设计运动轨迹和外力,并判断装配状态迁移条件,有效提升装配成功率。实验结果表明,静摩擦补偿后的关节阻抗控制算法明显提升了静力感知性能,提出的装配策略在非规则外形零件组装场景成功率达94%,装配过程的机器人末端出力不超过20 N,可保证在装配力较小条件下以较高成功率完成装配。

压电柔顺微操作器的H_(∞)反馈控制

为保证压电柔顺微操作器的精准性和稳定性,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,首先,通过在传统Prandtl-Ishlinskii(简称PI)迟滞模型上串联死区算子,建立改进PI迟滞模型并设计相应前馈控制器;其次,将系统模型分解为线性可逆分量和有界分量,并构建权重函数和增广模型设计H_(∞)反馈控制器,以保证系统的稳定性和精准性;最后,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,搭建实验测控系统。实验结果表明:在前馈控制下,压电柔顺微操作器的迟滞量从16.5%下降到4.4%,改进PI迟滞模型是可行的。当参考轨迹为阶跃和不同频率的正弦信号、甚至改变微操作器结构参数时,H_(∞)反馈控制均能有效跟踪给定参考信号且相对控制误差较小,验证了所设计H_(∞)反馈控制器的有效性。

A practical PID variable stiffness control and its enhancement for compliant force-tracking interactions with unknown environments

Compliant interaction control is a key technology for robots performing contact-rich manipulation tasks.The design of the compliant controller needs to consider the robot hardware because complex control algorithms may not be compatible with the hardware performance,especially for some industrial robots with low bandwidth sensors.This paper focuses on effective and easy-to-use compliant control algorithms for position/velocity-controlled robots.Inspired by human arm stiffness adaptation behavior,a novel variable target stiffness(NVTS)admittance control strategy is proposed for adaptive force tracking,in which a proportional integral derivative(PID)variable stiffness law is designed to update the stiffness coefficient of the admittance function by the force and position feedback.Meanwhile,its stability and force-tracking capability are theoretically proven.In addition,an impact compensator(Impc)is integrated into the NVTS controller to enhance its disturbance-suppression capability when the robot is subjected to strong vibration disturbances in complicated surface polishing tasks.The proposed controllers are validated through four groups of experimental tests using different robots and the corresponding results demonstrate that they have high-accuracy tracking capability and strong adaptability in unknown environments.

水下机械手柔顺抓取的阻抗控制方法

针对具有较多不确定性和随机干扰的水下机械手系统,文中分析了水下环境对动力学模型和阻抗控制器的影响,构建了基于环境参数辨识的阻抗控制器来解决水下柔顺抓取的力跟踪问题。通过引入遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识环境刚度并修正参考位置,从而减小接触力的稳态误差,实现实时性和准确性的力跟踪。利用MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,仿真结果表明该控制器在引入持续外部干扰力和期望力调整的情况下,能快速实现对期望力的跟踪和实时估计接触刚度,具有较好的鲁棒性。最后,通过实验验证了该控制器在真实的水下柔顺抓取任务中具有快速稳定的力跟踪性能,其平均稳态力跟踪偏差约为0.014 N,最大力跟踪偏差约为0.138 N。

考虑弹性元件的自适应阀门装配方法

阀门在装配过程中由于轴孔间存在弹性元件,导致阀门在轴孔配合、旋拧过程中易出现卡阻现象。建立考虑弹簧元件的阀门装配力学模型,并对弹簧元件的影响进行分析。采用一种基于间接自适应控制的阀门自动化装配方法,通过末端力信息对期望位置进行自适应调节,以实现对期望力的跟踪。该方法对不同阀门弹性元件有较好的适应能力。对安装2种不同刚度弹簧元件的阀门在一定初始位姿下进行装配仿真,结果表明:与传统的固定阻抗参数方法相比,该方法对装配角度、弹簧刚度有较好的适应性,满足阀门自动化装配要求。