面向直接示教的机器人零力控制

提出基于力矩控制的零力控制方法应用于机器人直接示教。针对机器人连杆重力矩和关节摩擦力矩难以直接建模计算,分析机器人关节力矩与连杆自重、关节位姿、负载大小、库仑摩擦力、黏滞摩擦力等因素的关系,提出基于自测量的重力矩及摩擦力矩计算方案,并给出重力矩、摩擦力矩求解所需参数的具体测量方案。在自行研制的直流电动机驱动机器人样机上验证所研究补偿算法,力矩补偿效果明显。与现有基于位置控制的零力控制方法相比,该方法无需多维力传感器,系统简洁、成本低、示教灵活,为各类运动轨迹复杂的机器人示教开辟了新途径。     

卧式下肢康复训练机器人力觉拖动示教研究

将现代康复医学与机器人学相融合,用于下肢康复训练的技术,已经成为当前研究的热点。目前,现有的下肢康复训练机器人训练轨迹改变困难,不能适应个性化训练的要求。在已有的机械系统的基础上,在机器人的末端安装力觉传感器,通过导纳控制算法的设计以及分析机器人位姿矩阵的构成,获取机器人末端在笛卡尔空间中的位姿。再通过求逆解模块,得到各个关节的实时角度,从而驱动机器人按照示教轨迹运动。通过康复训练中的抬腿动作试验,证明了卧式下肢康复训练机器人力觉拖动示教系统的设计,达到了预期效果。     

集成力反馈的虚拟砂带抛光示教系统设计与实现

通过传统的编程方式(在线示教、离线编程)定义复杂曲面的抛光轨迹是一项复杂繁琐的工作,为了给机器人砂带抛光示教过程提供一种更加自然有效的交互方式,应用虚拟现实技术和力觉反馈技术,首先提出砂带抛光的力觉模型;然后,在此基础上,集成Phantom Desktop~力反馈设备开发了一套虚拟示教系统。用户在示教过程中能够更加自然真实地根据实时反馈力动态调整抛光力度、位姿等参数,获得理想的抛光质量。应用该系统进行的力学验证实验和工件加工表面质量评估实验表明:所提出的力觉模型能够准确模拟真实抛光过程中工件的受力情况,机器人在应用该虚拟示教系统进行示教后,所加工出的工件可获得与手工抛光相比拟的抛光质量。     

力-位置型力觉临场感机器人变增益控制及其稳定性研究

对于力觉临场感机器人系统,在保证系统稳定性的基础上,提高操作透明性是其完成精细任务的关键。本文通过对力-位置型力觉临场感遥操作场机器人系统控制结构的分析,提出了一种变增益力-位置型控制结构,通过改变从端的位置控制增益,提高了遥操作系统的可操作性。同时通过建立系统的动力学方程,利用李亚普诺夫函数分析了系统在约束运动下的稳定性。实验结果表明,这种控制结构在保证系统稳定的基础上实现了良好的控制透明性。     

H∞控制的主从遥操作力觉双向伺服控制系统研究

针对力反馈双向液压伺服控制中存在的反馈力冲击大及位置跟随特性差的问题,提出了一种以主／从动机械手之间的力偏差为从动端控制信号,由位置偏差和力偏差形成主动机械手控制量的新型力觉反馈控制策略。结合遥操作工程机器人主从控制的特点,通过对液控操纵杆系统进行H∞控制的状态观测器补偿,改善了液压马达的动态特性差异。进行了力觉双向伺服控制实验,实验结果表明,该控制策略明显改善了主一从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时该控制策略具有控制简单、收敛速度快、实时性好等特点。     

基于六维力传感器的力引导示教研究

示教是学习机器人很重要的环节,其中直接示教相比其他示教方法具有简单、快捷、准确率高等优点,然而目前的大部分机器人都不支持直接示教。提出了一种基于力引导的直接示教方法。首先,通过六维力传感器实时监控、采集力/力矩信号,再将采集到的力信号和力矩信号经由重力补偿算法和重力矩补偿算法处理后发送给上位机;然后根据力-位控制算法求解出工业机器人的移动量和旋转量;最后通过Socket通信将数据发送给工业机器人,完成力引导示教。实验结果表明,该直接示教方法准确、通用性好,具有推广意义,能够在力引导示教完成后再进行示教轨迹还原。     

面向任务的力觉交互设备设计

力觉交互是提高手术仿真培训系统逼真度的有效途径之一,如何设计出满足系统性能要求的力觉交互设备对手术仿真系统的开发至关重要。从设计案例出发,讨论了面向任务的力觉交互设备设计方法。先分析牙科手术模拟器对力觉交互设备的性能需求,发现现有商用力觉交互设备不能满足牙科手术仿真对高刚度和大转动工作空间的要求,因而提出一种新型6自由度力觉交互设备的机构方案,采用并联3-RRC机构与串联3R机构的组合,达到了兼顾高刚度和大转动工作空间的目的。物理样机试验表明该设备的工作空间、最大输出力和虚拟刚度等指标均达到设计要求。     

微创外科机器人夹持手操作力感知机构研究

针对微创手术机器人,研究设计了载有力感知功能的从手夹持手,介绍了夹持手末端柔顺机构力觉传感器的设计、驱动装置及驱动方式的选择,并基于ANSYS软件分析了微创手术机器人夹持手在夹持过程中传感器形变与受力的关系。仿真及分析结果表明传感器的形变与受力基本趋于线性关系,为进一步研究手术机器人夹持手的力感知与力反馈的控制奠定了基础。     

基于被动柔顺性的机器人位置/力控制

为了精确控制具有被动柔顺性末端执行器的平面多关节机器人,提出了一种被动关节与主动关节分离的外环位置/力串行控制策略。位置/力控制策略分析表明,基于被动柔顺性的机器人可以通过主动关节控制实现被动柔顺末端的弱控制。基于此,提出了先进行位置控制,然后保持位置不变进行力控制的串行控制策略,既实现了位置/力的独立控制,又解决了被控参数的冲突问题。基于几何法,进行了逆运动学求解。在MATLAB7.0平台上仿真研究了分度角分别为0、30°、60°与90°时的轨迹扫查情况,表明位置与力控制都能够快速收敛并满足一定的精度。在实际的系统上,进行了扫查试验,结果表明提出的控制策略是切实可行的。     

一种新型导纳力觉交互设备的研究

提出一种导纳型力觉接口设备,利用摩擦轮原理进行传动,其低惯量、高速等特点保证了力觉系统具有较高出力带宽.同时,以设备为平台建立了人机力觉交互系统,进行了力觉交互实验.     

TMX2000型原子力显微镜(AFM)力的标定

根据针尖的形状和各项参数进行了TMX2000型原子力显微镜载荷、粘附力、法向力、横向力及其摩擦力的标定。其标定结果为载荷Fl=0.073×(Ilm-Il0)/Sn×N·m-1,横向力Ft=0.156×It/Sn×N·m-1,摩擦力Ff=0.078×(It -It-)/Sn×N·m-1     

原子力显微镜力传感器的设计

着重介绍原子力显微镜力传感器的要求和力传感器设计的有关问题，并提供一种用图表设计结构尺寸的方法。     

复合轴向力加载装置设计与力控制

为满足航空发动机主轴承试验对轴承精确稳定轴向载荷的需求,分析了复合作用于试验轴系的预压紧弹簧力和液压力的设计原理,设计了具有内置微型力传感器的复合轴向力加载装置,基于抗扰控制理论设计扩张状态观测器对反馈信息进行观测,并结合非线性PID控制器制定复合轴向力控制策略。在航空发动机主轴承双转子试验机上开展应用,试验结果表明:复合轴向力加载装置及其力控制方法能够很好地实现轴向加载力的精确控制。     

用力-距离曲线标定原子力显微镜力测量系数的研究

推导出根据原子力显微镜测量得到的电压信号计算法向力和横向力的公式,然后研究用力-距离曲线标定公式中测量系数的方法,并用几种不同的探针和试样测试和确定所用原子力显微镜的测量系数。从测量的结果可以看到,不同探针和试样的测量值较为接近,表明该方法可行。当原子力显微镜测量系统的光路对称时,用本方法标定测量系数较为简单和准确。     

正弦力法动态力传感器灵敏度不确定度评定

随着汽车技术的日益发展,动态力传感器在汽车NVH、模态试验中用到的越来越多,一般采用动态法校准.本文依据振动与冲击传感器校准方法,以标准振动传感器为标准器,采用正弦力法校准动态力传感器灵敏度,并计算动态力传感器灵敏度测量值的不确定度,确保量准的准确一致和正确传递.     

力抓取的接触力建模与可行抓取力分析

为了解决操作机和夹持系统性能设计中可行抓取力和承载条件计算问题,研究过约束、超静定条件下的接触力建模和抓取分析方法。基于抓取的接触动力学约束,采用拉格朗日乘子方法建立摩擦抓取的约束力求解模型。讨论超静定抓取中接触约束的不确定性。通过识别可行速度集合与约束力集合的旋量基及其张成的子空间,给出表达摩擦接触约束力可行解的主动内力子空间结构,即物体所受内力子空间与可调整驱动力的交集,通过对接触处约束力旋量系统的双重正置运算,识别出内力旋量系及其张成的子空间,使得能够显式计算动态平衡条件下的可行接触力集合,建立动态载荷作用下可行抓取力与承载力的求解方法。     

原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

分析了现有的AFM力传感器的工艺特点及问题。在此基础上研究用KOH溶液两步法P+自停止腐蚀制作厚度精确可控的单晶硅悬臂梁;以SiO2为掩模,SF6刻蚀硅,用RIE与各向同性湿法化学腐蚀相结合使悬臂梁探针一次成形和用湿法腐蚀锐化探针,针尖半径约50nm.制定了适于批量生产的AFM力传感器加工工艺。     

电子万能材料试验机力传感器受力方向的分析

简述了电子万能材料试验机的组成,分析了Z100型和AG-X型试验机在试验和检定时的受力情况,表明试验机力传感器和标准测力仪受力方向相反。     

用象散法测试原子力显微镜力传感器的固有频率

原子力显微镜已成为人们观测和研究物体微观世界的强有力的工具.由悬臂梁与探针集成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件,而固有频率是其一个主要技术参数.本文介绍了一种采用光学象散原理测试原子力显微镜的力传感器固有频率测试系统的原理、组成和测试方法.