基于手持导航器的协作机器人引导控制技术研究

现今实际的制造生产工作给机器人的交互性和协作性提出了越来越高的要求,传统的基于机器人示教器控制的交互技术已经越来越难以满足这些需求.为此,提出了一种新型的引导控制技术,采用了基于力/力矩识别的手持导航器,并开发出了可以实现快、慢速控制相互转换的引导控制模式.首先,对导航器的原始数据进行读取和解析,获得其自身的坐标系,建立和机器人的映射关系,并通过标定得出其输出数据与所受力/力矩之间的定量关系.其次,为减少操控过程中操作者的生理抖动和噪声的影响,引入卡尔曼滤波来对其状态进行最优估计.然后,为实现多控制模式的转换,建立变导纳控制模型,通过最小二乘法获得交互力的变化率,从而确定人机交互过程中的导纳参数,进而选取符合操作者意图的控制模式.最后,通过实验有效地验证了该方法在人机交互应用中具备较高的可行性和通用性.     

基于动力学模型的工业机器人导纳控制研究

提出了一种基于动力学模型的导纳控制算法,用来实现机器人末端力和位置的柔顺控制,可以在速度模式下控制机器人运动,以保证无外力接触时的轨迹跟踪精度.首先,根据牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型;然后,通过粒子群算法辨识动力学模型参数,得到完整的动力学模型;在此基础上,计算机器人末端位置误差和外力,利用设计的导纳控制器实现机器人的柔顺控制,用Matlab的Simulink仿真模块验证了基于动力学模型导纳控制的有效性和可靠性.仿真结果表明:机器人末端没有与环境接触时,具有较高的跟踪精度;与环境接触时,机器人末端会产生位置误差和外力,从而实现机器人的柔顺控制.     

速度场与意图角双重变导纳主动康复训练策略研究

针对主动康复训练中出现训练懈怠、控制器和训练表现表征指标复杂、训练任务不能动态调整的问题，提出基于速度场与意图角的双重变导纳控制策略。在期望轨迹周围设计速度场后基于双曲正切函数将患者主动力映射到导纳参数中，设计变导纳控制器。只有患者施加主动力时，导纳控制才能输出机器人运动的驱动力，迫使患者主动参与。将末端交互力矢量与速度矢量的夹角定义为意图角，利用位于[0,π/2)内意图角出现的时间在单次训练时间中的占比γ表征患者的主动控制能力。训练中，根据上一轮的γ来修改导纳参数的上限值，从而改变训练任务的难易程度。在控制策略下进行了6轮训练，结果表明：提出的主动训练策略能够在患者施加主动力的情况下实现三维轨迹允许误差范围内的无时序跟踪训练；根据设计的表征指标，导纳参数可以从1 100变为1 200再变到1 100,单轮的训练时间从45.6 s变为31.82 s再变回46.9 s,期间患者输出的主动力总和从892.2 N变为694.4 N再变到1 014 N。训练策略可以根据表征指标来判断患者的主动训练能力并调整训练任务，可用于主动康复训练。     

基于自适应柔顺控制的航天器部件装配

利用机器人技术完成航天器部件的装配任务，是中国航天领域的研究重点。仅依靠位置控制完成装配任务时，装配误差的存在会导致航天器部件存在较大的接触力，从而破坏航天器部件的表面质量和表面涂层，进而影响航天器部件的服役寿命。因此，在装配过程中需要使用柔顺控制来调控接触力。目前，在机器人装配中应用的柔顺控制方法需要依据经验设定控制参数，而2个装配体之间的接触力与控制参数密切相关，这会导致接触力不可控。为避免接触力过大，该文提出了一种柔顺控制方法，通过装配过程中的接触力和状态信息，根据不同环境刚度自适应地调整柔顺控制的目标位置和控制参数。为了验证此方法的可行性，该文进行了仿真和实验研究，并与位置控制和经典的导纳控制进行比较，实验结果表明：该文提出的方法具有收敛速度快、残余接触力小、可自动调节控制参数等优势。该方法为航天器部件的机器人自主装配奠定了理论和技术的基础，并有望应用于实际航天器部件装配任务中。     

自由漂浮双臂空间机器人关节空间轨迹跟踪的变结构滑模控制

利用多刚体系统动力学的方法对载体位置、姿态均不受控制的浮动基双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,并结合系统的动量守恒及动量矩守恒关系建立了系统的动力学方程.以此为基础,对双臂空间机器人关节追踪关节空间期望轨迹的控制问题作了研究.考虑到双臂空间机器人系统的结构复杂性及某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了轨迹跟踪控制的变结构滑模控制方案.此控制方案的优点在于:在操作过程中不需要对双臂空间机器人载体的位置、姿态进行主动控制,因此将大大减少位置、姿态控制装置的燃料消耗.通过对该机器人系统的仿真计算,证实了文中提出的变结构滑模控制方案的有效性.     

基于行为优先与任务协调的多移动机器人遥操作

针对单个操作者对多个移动机器人遥操作的困难,提出了基于行为优先和任务协调的多机器人遥操作方法. 通过引入机器人局部自主的概念,运用行为优先决策与任务协调模块使操作者和机器人共享运动控制. 建立了多机器人系统遥操作体系结构,设计了多通道人机交互接口界面. 室外实验表明,提出的方法可以实现人和机器智能的合理分配. 运用该方法,单个操作者可完成对多个移动机器人的遥操作.     

机器人主动柔顺恒力打磨控制方法

为了解决打磨过程中打磨控制系统存在扰动问题,设计了一种机器人力控末端执行器,并提出了一种机器人主动柔顺恒力打磨自抗扰模糊变阻抗控制方法.所提方法的内环控制采用模糊变阻抗控制器,外环控制采用自抗扰打磨控制器.采用Lyapunov稳定性理论证明了所提方法的跟踪误差收敛为零.通过仿真和实验,验证了所提方法的有效性和适用性.研究结果表明：在内环控制相同情况下,与外环控制为PID控制器相比,所提出的机器人主动柔顺恒力打磨自抗扰模糊变阻抗控制方法减小了打磨过程中的力跟踪误差和位置超调量,提高了机器人打磨力控制系统的控制效果和鲁棒性,实现机器人柔顺恒力控制.     

机器人自动摘钩系统中柔顺控制方法研究

针对货运列车摘钩自动化需求,在自主设计的摘钩机器人系统基础上,提出和应用柔顺控制算法,有效提升摘钩过程的鲁棒性,解决了由于车钩变形所导致的摘钩失败问题。具体通过对传感器零点值以及末端安装抓取机构的重力进行标定补偿,得到机器人与车钩交互的实际外力,并输入基于导纳算法的机器人控制器中,使机器人对车钩运动轨迹进行适应性调整。经过实际摘钩作业验证,相较于使用位置控制进行摘钩,该算法能有效避免车钩与机器人发生干涉,提高了摘钩的成功率。     

机器人云操作平台的人机交互技术研究

为了克服传统机器人遥操作资源利用率低、对用户要求较高的缺点,基于云计算共享和服务的思想,提出了机器人云操作平台.机器人遥操作以服务的形式提供给互联网用户.基于云平台中用户输入设备多样,同时远端机器人智能水平存在差异的事实,提出了统一的人机交互接口,满足不同层次的需求.首先,对用户端输入设备进行虚拟化,使得所有设备输入具有统一规范.然后,制定了机器人控制方案,建立用户输入和机器人实际运动的对应关系.最后利用语音识别和指点类设备操作,结合基于任务的多通道整合算法,实现了交互自然、高效的多通道人机界面.通过遥操作机器狗实验证明了所设计人机交互接口的合理性和可行性.     

基于神经网络逆系统方法的机器人柔顺性控制

提出了一种机器人柔顺性控制算法 ,在未知机器人精确数学模型的情况下 ,通过构建一个ANN二阶逆系统 ,并级联ANN与机械手 ,实现机器人位置系统的线性解耦 .在此基础上 ,针对已解耦位置系统 ,通过本文提出的基于目标阻抗的控制算法调节机器人手臂的阻抗 ,从而实现机器人的柔顺性控制 .还介绍了机器人柔顺性控制实验平台的建立与组成 .基于两杆操作手的实验结果证明该方法具有良好的解耦和位置跟踪性能 ,仿真结果表明本方法可实现有效的柔顺性控制 .     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

基于改进模糊PID的轮式机器人速度控制器设计

针对轮式机器人在行走过程中存在速度平衡超调较大与调节时间较长、速度平衡效果较差的问题,采用Matlab/Simulink与Carsim仿真软件建立轮式机器人四轮差速运动模型,对于无刷直流电机(BLDCM)系统,在原有模糊PID的基础上,结合抗积分饱和算法与变速积分算法,提出一种改进模糊PID控制的调速方法。仿真结果表明,通过抗积分饱和与变速积分算法改进后的模糊PID控制器与传统模糊PID控制器相比,在机器人速度平衡控制过程中,超调降低30%,调节时间降低33%,具有速度响应时间短、速度响应曲线波动小的优点。搭建了轮式机器人实验验证平台,实验结果表明,改进后的模糊PID控制调速方法的速度响应快,满足轮式机器人速度控制需求。所提设计可为轮式机器人速度稳定系统调试提供理论指导,并可应用于以速度调控为主导的控制系统。     

考虑人机作用力的康复训练机器人各运动轴最优轨迹跟踪预测控制

针对人机作用力影响康复训练机器人的跟踪性能问题,提出了一种新颖的观测器设计方法,目的是利用系统的位置输出估计人机作用力.同时,为了抑制人机作用力并避免运动中产生较大的跟踪误差而影响康复者安全,设计了非线性控制器,并得到了机器人各运动轴系统模型.进一步,结合预测控制同时约束了系统轨迹跟踪误差和速度跟踪误差,并实现了各运动轴的最优轨迹跟踪.通过仿真结果对比分析和实验研究,表明文中提出人机作用力观测和控制器设计方法的有效性和优越性.      

RLC混联电路中串并联谐振判断方法

针对谐振电路中谐振频率判断方法不明确的问题,提出用阻抗或导纳虚部为零来对应判断串并联谐振.从具有普遍性的RLC混联结构入手,对电路进行结构直观判断,用数学推导,通过Multisim进行仿真分析,对实例进行验证.为应用电路中谐振点进行判断提供可靠的依据.     

井下救援机器人监控平台设计

详细介绍了井下救援机器人监控平台的设计方案以及系统结构,并对无线通信方式作了简单介绍。井下救援机器人监控系统通过一个便携式操控箱来实现人机交互,系统具有人机界面友好、操作灵活、携带方便等特点。实验证明,该系统可实现良好的人机交互,有助于机器人更好地开展探测和搜救工作。     

一体化可变刚度关节结构设计与分析

为满足关节型机器人在非结构化工作环境中人机安全性与环境适应性,基于关节柔性生成机理与可变刚度关节构型特征,提出了一种新型一体化可变刚度关节。考虑到关节紧凑化、模块化与可主、被动刚度调节等设计需求,设计了凸轮型刚度调节机构作为关节刚度调节模块。基于关节数学模型提取关节刚度影响参数,在此基础上对关节主、被动刚度特性进行了分析。基于关节样机展开刚度调节性能实验,实验结果表明关节具有合理的刚度调节范围,以及动态运动过程中主、被动刚度调节能力,满足机器人工作过程中关节刚度变化需求。     

一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法

针对移动机器人超声定位中超声收发传感器角度偏向造成的测距精度下降,本文提出了一种基于归一化波形参数特征修正的超声测距系统.传统的增益控制、可变阈值等抗起伏措施对抑制传播过程中的幅度起伏造成的测距误差效果较好,但如果传感器角度偏向使波形发生畸变,此类方法仍将造成较大误差.本文通过对传感器角度偏向造成接收信号波形畸变及测距精度下降的理论分析及实验研究,建立了超声接收信号归一化波形特征脉宽与前沿变化的关系,设计了基于单片机实现误差校正的大偏向角高精度超声波测距系统.测距实验结果表明本系统显著减小了传感器角度偏向引起的测距误差,在不同的距离上使测距精度平均提高了1.6%,同时具有成本低、使用简单、方便的特点.     

一种移动机器人的遥操作平台的设计和实现

提供了一种方便、友好的人机接口,实现了键盘、鼠标、方向盘操作三种操作模式来控制机器人的运动,并基于建立的遥操作系统进行了室内实验。