轻型柔顺机械臂结构设计与控制

为了使机械臂具有较好的位置跟随性和人机交互时的安全性,设计了一款3DOF的轻型柔顺机械臂.采用碳纤维材料实现轻量化,设计了串联弹性驱动器(SEA)实现机械臂结构的柔顺性.建立了3DOF轻型柔顺机械臂的运动学和动力学模型,并求解了工作空间;设计机械臂的位置控制实验,通过MTI位姿传感器来获取机械臂末端位姿,提出了MTI位置误差修正的方法.实验表明:当机械臂处于自由状态时,通过对比机械臂各关节和MTI末端位置的跟随性能,得知1,2,3各关节的位置跟随误差分别为7%,5%,2%,末端X,Y,Z3个方向的最大位置误差分别为19.25%,14.43%,6.4%,证明该机械臂末端具有较好的位置跟随性.     

基于图像矩和矢量积法的六自由度机械臂视觉伺服控制

针对眼在手上的六自由度机械臂系统,提出一种基于图像的视觉伺服控制.通过图像矩和矢量积法,建立机器人正向、逆向运动学模型,引入雅可比矩阵解决机器人逆运动学解析问题.建立了图像矩特征变化量和笛卡尔空间的关节角速度之间的映射关系即复合雅可比矩阵,由矩特征变化量得到伺服过程中六自由度机器人各关节角速度.保证在图像逼近期望图像时,机械臂末端到达期望位置,并且此时关节角速度将收敛到零.仿真结果表明,计算复合雅可比矩阵的方法可控制机械臂渐近稳定到期望位置.     

基于CAN现场总线仿人机器人机械臂分布式控制的研究与设计

基于仿人机器人机械臂的高度实时性和极强的抗干扰性的特点,设计出了基于CAN现场总线仿人机器人机械臂分布式控制系统,利用C8051F041微控制器作为关节分布式控制器,并设计增量码盘和速度检测电路以及相应的软件等,完成了仿人机器人机械臂6个自由度的设计,对机械臂运动轨迹的控制达到了可靠性、实时性和稳定性的要求.     

多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法研究

针对传统机械手腕关节控制方法稳定性低和灵活性差的弊端,提出一种新的多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法。介绍了多自由度机器人关节系统,按动力学系统组建机械手腕关节的动力学模型,采用拉格朗日方法获取动力学方程。介绍了PD手腕关节位置控制方法,在此基础上通过改进纯积分力控制方法实现多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制。分析了机械手腕关节混合位置/力矩控制过程,通过差动机构控制两个驱动器,使其完成机械手腕关节外展/内收和伸展/翘曲两个自由度,提高机械手腕控制灵活性。实验结果表明,所提方法控制精度和稳定性高,能够保证机械手腕关节的灵活性。     

多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法

针对传统机械手腕关节控制方法稳定性低和灵活性差的弊端,提出一种新的多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制方法。介绍了多自由度机器人关节系统,按动力学系统组建机械手腕关节的动力学模型,采用拉格朗日方法获取动力学方程。介绍了PD手腕关节位置控制方法,在此基础上通过改进纯积分力控制方法实现多自由度机器人机械手腕关节柔顺控制。分析了机械手腕关节混合位置/力矩控制过程,通过差动机构控制两个驱动器,使其完成机械手腕关节外展/内收和伸展/翘曲两个自由度,提高机械手腕控制灵活性。实验结果表明,所提方法控制精度和稳定性高,能够保证机械手腕关节的灵活性。     

姿态受控漂浮基空间机器人系统协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的反演滑模控制问题.结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,基于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的滑模控制方案.数值仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

扭转弹簧在机器人自平衡设计中的创新应用

机器人在运动时受力是很复杂的,如果同时再考虑工作时臂杆和关节的变形便更复杂了.针对示教机构并不应用于实际的生产中,而且不用考虑机构运动过程中的弹性变形、惯性力等性能,因此设计出了结构简单的轻质连杆来代替实际机器人的各构件.示教机构的设计原则是保留实际机器人的自由度数、机构尺寸和工作空间,其余部分进行简化.示教机构自身重量的平衡与否对测量精度没有直接的影响,但能影响人机效应,使操作员操作起来轻便,不易疲劳.因此本文设计将利用扭转弹簧平衡法和增加端面对关节型机器人臂杆进行重力平衡,各关节无驱动电机和减速器,仅有编码器测量关节角度,在结构上用简单结构的轻质连杆连接于各关节之间.     

多功能拆除机器人自动对接工具轨迹规划研究

为保证多功能拆除机器人机械臂在自动对接工具过程中的轨迹平稳连续和启停无冲击,提出了一种可配置速度的分段轨迹规划方法,即首先利用Bezier曲线生成其避障对接路径,然后在关节空间利用4-4-…-4-5次多项式对其对接路径进行分段插值。最后,以某型三臂式多功能拆除机器人对接工具为例,通过Matlab进行仿真,结果表明:4-4-…-4-5次多项式插值轨迹规划方法保证了多功能拆除机器人各关节角角度、角速度和角加速均连续,且启停位置具有零速度和零加速度,为实现多功能拆除机器人自动对接工具提供了基础。     

基于动态运动原语和自适应控制的机器人技能学习

提出一种基于动态运动原语(DMP)和自适应控制的机器人技能学习方法.现有的DMP从单示教轨迹中学习动作，且其高斯基函数分布方式固定，并不适用于各种不同特征的动作轨迹.因此，将高斯混合模型和高斯混合回归引入DMP中，使其能从多示教轨迹中学习技能，并且将径向基神经网络(RBFNN)引入DMP中构成RBF-DMP方法，以梯度下降的方式学习高斯基中心位置和权重，提高技能学习的精度.设计自适应神经网络控制器，用于控制机械臂复现示教中学习的动作.在Franka Emika Panda协作机械臂上开展实验研究，验证方法的有效性.     

无传感器机械臂碰撞估测及处理策略研究

针对机械臂在工作过程中与人体发生的意外碰撞,提出了一种新型碰撞力估测方法和接触碰撞后安全响应控制策略。当检测到的碰撞力矩超过设定动态限值的力矩时,系统认为碰撞发生。当碰撞发生时为了保证碰撞对象与机械臂的安全,系统采用PID控制策略使得机械臂远离事故现场。该控制策略将碰撞作为一种扰动,作用于机械臂的每一处关节上。即将复杂的空间动力学的运算简化到了关节处二阶线性系统的控制。以UR机器人为例,模拟了工业现场的情况。首先进行了仿真分析,而后在UR机器人安全模式内(碰撞力小于150 N)进行了碰撞试验。实验结果表明提出的碰撞力估测方法与控制策略实现了机械臂"碰撞—躲避—恢复工作"的功能,能够有效的保护被撞对象以及机械臂本体。     

Movemaster-EX机器人零力跟踪控制

用六维腕力传感器(HUST-FS6)检测力信号,并通过将力信号转变成机械手的位置调整量的方法,在五关节机器手Movemaster-EX上实现了顺应性跟踪控制(零力跟踪).实验结果表明,所采用的控制算法简单实用,控制效果良好,且无需测量机械手的开环刚度.对控制参数稍加改变,便可以完成插轴入孔的装配作业.本控制系统用一台386微型机作为控制主机,并采用C语言编制控制程序.     

机器人的主动顺应控制

本文提出一种新的机器人顺应控制方法,该方法运用力反馈控制技术使原来只具有位置控制能力的通用机器人成为同时具有力和位置双重控制能力即顺应控制能力的机器人。同时用一台功能较强的通用计算机取代原系统的专用机作为控制主机来提高系统的控制精度、速度和编程能力,使用户摆脱专用机器人语言的限制,更方便地用高级语言编制程序,实现对机器人的各种控制,文中还给出了机器人系统刚度的测试方法和以此为基础的去耦力反馈矩阵的计算。     

柔性机械手逆动力学计算及运动精度控制

当前,许多对振动的主动控制方案和逆动力学方法,存在控制策略算法复杂,实时控制较难的问题,基于机械臂为一个具有高难度,非线性和强耦合的复杂系统,对柔性机械手的逆动力学和振动抑制问题进行研究。应用极限原理,提出关节求逆方法,得到最优驱动力矩,使逆动力学计算更为简便。     

紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节设计

内嵌扭矩传感器的紧凑型一体化关节可增加机器人的负载质量比,提高力控安全性,更适用于服务行业。通过对轻型协作机器人关节的研究,提出了机器人关节系统整体设计方案。基于关节设计参数,研究关节系统工况负载下的可靠性。对关节扭矩特性进行分析,设计了17型号关节扭矩传感器本体,并采用有限元仿真方法,验证了应变片安装位置的合理性。研制了放大与低通滤波电路系统,并对传感器进行实验分析标定,拟合扭矩电压特性曲线,得到线性度、灵敏度、迟滞和零漂参数。最后对研制的关节整机进行负载测试,并应用于五自由度碳纤维轻型机械臂系统。结果表明:紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节质量轻、负载能力高,扭矩传感器具有较高的精度和灵敏度。     

机械臂刚体运动防冲突角度最优输出方法

机械臂刚体运动防冲突角度输出方法存在防冲突角度控制精度低、易出现碰撞的弊端;因此,提出一种机械臂刚体运动防冲突角度最优输出方法。利用拉格朗日法获取机械臂被动关节动力学方程式,通过振幅控制方法控制机械臂被动关节位置,实现对机械臂刚体运动防冲突角度的最优输出。实验结果表明,相对于传统方法,控制下的机械臂刚体运动防冲突角度输出值较优,控制过程中位置误差与稳态误差较小,有效实现了机械臂运动的防碰控制。     

仿生机械手结构设计与分析

介绍了一种自行研制的自售饮料仿生机械手系统模型，对仿生机械手结构进行了原理设计以及运动学分析，并推导出机械手各个关节执行机构的运动定位误差与末端抓手的定位误差的数学关系式。     

工业机器人动力分析

木文用矢量运算和拉格朗目方程推导出一套工业机器人运动学和动力学计算公式.这些公式可用来计算机器人上各连杆的运动速度、加速度、惯性力,以及各关节上驱动器的功率和机器人的最大负荷能力.文中的几何影响系数仅与各连杆的位置和方向有关,因而使公式变得简单而明确.这些公式除用于机器人设计计算外,也可以用来研究机器人的动力特性,以及对机器人的运动进行实时控制.     

一种新型电力光缆剪枝机器人的运动学联合仿真研究

针对架空电力光缆线路巡检维护中的树枝修剪问题,设计了一种新型五自由度串联剪枝机器人。首先,通过D-H(denavit-hartenbreg)参数法,建立了该剪枝机器人机械臂的运动学模型,得到运动学正逆解;然后在V-REP和MATLAB中进行联合运动仿真,并利用蒙特卡洛法分析剪枝机器人工作空间,得到机械臂工作空间的云图;为保证剪枝过程的运行平稳,在工作空间内进行轨迹规划并仿真;最后,联合仿真结果表明该剪枝机器人运动学模型有效,各关节及末端轨迹规划控制效果良好,可以实现1~1.5 m范围内灵活修剪树枝等障碍物的要求,为剪枝机器人后续控制问题研究提供了理论依据和实验基础。     

FROG-LEG型机械手的模型预测控制研究

研究了FROG-LEG型机械手的轨迹跟踪控制问题,提出将基于动力学的预测控制应用于机械手的位置控制,并利用当前时刻控制误差补偿下一周期的控制量。在分析FROG-LEG型机械手结构的基础上,首先建立了机械手的等效串联结构运动学模型,然后建立了水平和垂直方向解耦的动力学模型,在此基础上对并联机械手进行了基于预测控制的轨迹跟踪研究。仿真实验表明:该预测控制方案可以使得机械手有效地跟踪路径规划器给出的轨迹;关键关节的控制效果可以通过加大其权重得到提高;模型校正可以大大降低控制误差。