重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计

关节型重载搬运机器人各运动关节动态性能和能量耗散水平直接影响机器人以及运动规划的可达性。以ABB公司生产的IRB460型重载搬运机器人为研究对象,针对其机械本体结构特性,建立重载搬运机器人三维模型。若仅考虑回转轴、大臂和小臂组成的三个自由度,重载搬运机器人系统模型可简化成空间三关节机器人系统模型;依据拉格朗日力学方程建立重载搬运机器人系统动力学模型,利用机械臂逆运动学和五次多项式插值算法完成对多关节机械臂空间轨迹规划。通过动力学仿真分析可知,重载搬运机器人各运动关节的动态性能变化稳定且能量耗散较小,且能够沿着预定轨迹完成PTP模式的运动控制。最后,搭建控制系统仿真实验平台,提出一种重载搬运机器人控制系统模型,实验结果表明,所设计的重载搬运机器人控制系统能够准确、稳定的控制各运动关节运动,验证了各运动关节驱动电动机功率参数选择的合理性,为实际的工业生产应用奠定了理论基础。     

基于V-REP的双机器人协同运动仿真与实验研究

针对目前国内外机器人建模和仿真能力较差,软件功能扩展性和开放性较差,无法满足机器人协同控制要求的现状,提出了一种基于V-REP的双机器人协同运动控制方法.首先在仿真软件中建立机器人模型并生成运动路径,通过逆向运动学计算获取协同搬运路径对应的关节参数,然后在V-REP软件中建立双机器人模型,并通过Lua脚本语言控制双机器人进行协同运动仿真.采用所提出的方法对双机器人协同搬运过程进行仿真和实验,结果表明该方法有效可行,为以后的其他机器人运动仿真提供了参考.     

自动导引车多摄像机主动导引系统的协同标定

通过多个导引驱动模块可构成用于重载搬运的自动导引车(AGV),固定在每个模块上的摄像机组成了多目视觉主动导引系统。本文针对多驱动模块的协同导引,提出了一种多摄像机主动导引系统的协同标定方法。首先,通过平面模板法完成单个驱动模块上摄像机内部参数、外部参数的标定;然后通过控制各个驱动模块协同运动,利用特征轨迹约束法估计摄像机相对于驱动模块的位姿误差、不同驱动模块之间的装配误差。建立单个模块的视觉测量坐标系与 AGV 整车运动控制坐标系之间的变换模型。不依赖精密辅助测量工具,具有较高的精度及可实施性。     

双柔性臂机器人的建模和主动振动控制

针对双柔性臂机器人在操作过程中出现的结构振动和残余振动影响控制精度的问题,提出了采用多组压电换能器对柔性臂进行主动振动的控制方法.设计了基于超声电机驱动的双柔性臂机器人,采用拉格朗日法和假设模态法对双柔性臂进行了动力学建模,并考虑了在协作搬运过程中双柔性臂机器人需要满足的闭链约束条件.提出了采用独立关节PD反馈控制器和正位置反馈控制器相结合的混合控制方法.Matlab仿真表明,所提出的混合控制器能使柔性机器人在准确完成目标物体轨迹运动的同时,实现对柔性臂的振动抑制,提高了双柔性臂机器人的搬运精度和效率.     

水冷机壳螺旋砂芯机器人手爪夹具的设计

针对现有的水冷机壳螺旋砂芯人工搬运强度大、成本高、安全性低、普通机器人搬运容易损坏砂芯的现状,设计一种专用螺旋砂芯机器人搬运手爪夹具.在该夹具的设计中,采用单气缸、双电机、两齿轮同步传动联动驱动的方法进行双重装夹,保证砂型铸造搬运砂芯时砂芯在移动中的平稳性和安全性,降低螺旋砂芯在搬运过程中的受损率,提升螺旋砂芯搬运的效率.     

基于自适应阻抗模型的双机器人协调搬运内力控制

针对双机器人协调搬运作业中的内力控制问题,建立内力的数学模型,提出基于自适应阻抗模型的从机器人单端调节的内力控制策略,设计仿真和实验的任务场景:双机器人搬运箱体完成抬起、移动、放下的运动轨迹,对物体z轴方向的内力进行控制.仿真模拟了物体所受内力的变化,给定物体z轴方向的正弦位置误差信号并进行验证,完成了双机器人协调搬运的物理实验.结果表明:所提出的内力控制策略可以有效地把物体所受的内力控制在期望水平上.     

基于自适应阻抗模型的双机器人协调搬运内力控制

针对双机器人协调搬运作业中的内力控制问题,建立内力的数学模型,提出基于自适应阻抗模型的从机器人单端调节的内力控制策略,设计仿真和实验的任务场景:双机器人搬运箱体完成抬起、移动、放下的运动轨迹,对物体z轴方向的内力进行控制.仿真模拟了物体所受内力的变化,给定物体z轴方向的正弦位置误差信号并进行验证,完成了双机器人协调搬运的物理实验.结果表明:所提出的内力控制策略可以有效地把物体所受的内力控制在期望水平上.     

高精度机器人控制系统研究

为实现工业机器人的高速高精度控制,提出了一种基于PC+DSP的实时智能控制系统结构。该结构考虑了机器人的动力学模型,将参数辨识与控制方法相结合,并建立专家知识库,使其能根据用户或性能要求,自动选择最佳的基于动力学模型的控制方案,以获得满意的控制精度。并且给出了机器人控制系统的软硬件架构,采用高速DSP实时进行参数辨识和控制算法的计算。最后通过对二自由度机器人的实验,说明了该系统的智能结构是有效的、可行的,并且能获得较高的控制精度。     

基于黏弹性模型及主动观测器的橡胶搬运机器人控制方法

在橡胶搬运机器人系统的取料阶段,需要将机器人末端执行器插入橡胶内部,在这一过程中橡胶与末端执行器之间的相互作用表现出黏弹特性,使控制系统设计复杂化。为提高机器人控制性能,提出了一种基于Hunt-Crossley(HC)黏弹性模型及主动观测器的橡胶搬运机器人控制方法。首先,采用HC非线性模型作为末端执行器插入橡胶过程的基础模型,基于该模型建立机器人力学模型,并进行线性化处理;然后,采用基于随机卡尔曼滤波的主动观测器进行状态反馈调节,并通过外加主动状态的方式来补偿建模误差以及机器人控制系统扰动;最后,搭建实验系统,采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法对黏弹性模型进行参数辨识,并证明该控制方法的稳定性,通过与基于经典弹性模型的控制方案进行仿真对比分析,证明了所提控制方法的有效性。     

三维模型驱动的双目视觉机器人焊接技术

面向航天器管路多品种小批量交叉作业的生产模式,针对其接口关系复杂、焊接质量要求高等难点,设计一种基于三维模型驱动的双目视觉机器人焊接方法.通过提取多分支管路三维模型的焊缝坐标信息,结合机器人离线编程技术实现焊接机器人轨迹规划;采用双目立体视觉相机,开发了焊缝管子边缘识别算法和管道姿态计算方法,实现了管路的空间精确定位,通过焊接试验验证了该方法的有效性.     

全方位移动机器人编队控制研究

针对多机器人系统编队的控制问题,将编队行为分为了任务执行行为、队形保持行为、安全运行行为,并分别对各行为进行了研究,对各种传统编队方法进行了总结和比较,通过建立移动机器人的运动学模型,得到了车体运动的控制参数,提出了针对基于麦克纳姆轮的全方位移动机器人编队的基于行为的融合编队控制算法,利用Matlab软件对编队的各种行为进行了仿真。研究结果表明,该基于行为的融合编队控制算法能使全方位机器人完成编队行为,能够实现队形形成、队形保持、躲避静态障碍物、躲避机器人及驶向目标点等行为,编队基于该方法,实现迅速、可靠性高。     

On position/force tracking control problem of cooperative robot manipulators using adaptive fuzzy backstepping approach

In this paper, the position and force tracking control problem of cooperative robot manipulator system handling a common rigid object with unknown dynamical models and unknown external disturbances is investigated. The universal approximation properties of fuzzy logic systems are employed to estimate the unknown system dynamics. On the other hand, by defining new state variables based on the integral and differential of position and orientation errors of the grasped object, the error system of coordinated robot manipulators is constructed. Subsequently by defining the appropriate change of coordinates and using the backstepping design strategy, an adaptive fuzzy backstepping position tracking control scheme is proposed for multi-robot manipulator systems. By utilizing the properties of internal forces, extra terms are also added to the control signals to consider the force tracking problem. Moreover, it is shown that the proposed adaptive fuzzy backstepping position/force control approach ensures all the signals of the closed loop system uniformly ultimately bounded and tracking errors of both positions and forces can converge to small desired values by proper selection of the design parameters. Finally, the theoretic achievements are tested on the two three-link planar robot manipulators cooperatively handling a common object to illustrate the effectiveness of the proposed approach.     

视觉与力觉结合的卫星部件机器人装配

针对卫星特殊部件的装配需求,为了使机器人具有适用不同工况的柔性并在卫星多变的装配工况中获得较高的应用效率,本文研究视觉引导与力反馈控制下的机器人装配技术,给出一种视觉与力觉结合的机器人装配方案:在装配孔位安装辅助销钉,通过视觉引导将部件引导至销钉的锥面导向范围内,而后在销钉导向下对机器人采用力反馈控制,实现工件的准确装配到位。采用红外相机结合合作靶标的方式实现稳定地视觉识别与目标定位,设计了探针式测量工具,并给出测量方法,实现了目标点位的柔性便捷测量。给出了一种已知空间对应点对条件下,求位姿变换矩阵及机器人目标位姿的计算方法。采用力/位混合控制方法实现柔顺销钉导向控制。实验结果表明:装配对应孔位的测量匹配误差在2.9 mm以内,机器人在视觉引导下,可以将工件运送至销钉的导向范围内,并在销钉导向及力反馈控制下将工件准确装配到位,力控制阈值为30 N。证明了本文所采用的技术可以满足卫星部件装配的工程实施要求。     

具有避障的机器人集群系统分布式编队控制

针对具有线性二阶积分运动学模型的机器人集群系统,基于机器人之间的相对状态信息设计了分布式编队控制器.通过变量替换,将机器人集群系统的编队问题转换为一致性控制问题,推导得到了机器人集群系统实现期望编队队形的充分性条件.利用人工势场函数的方法,设计了具有避障功能的机器人编队控制器.最后,仿真实验证明,机器人集群系统实现编队并能够避免与障碍物发生碰撞.     

大型17R“加藤一郎”机器人仿人行走控制研究

针对大型17R"加藤一郎"结构双足机器人仿人行走控制问题,从仿人机器人的机械结构、控制系统、步态仿真、动力学参数等方面对机器人的影响进行了研究,采用仿生学原理,参考了人体上、下半身比例特点,对机器人的机械结构进行了设计;对机器人控制系统进行了设计,提出了一种基于DSP+FPGA的主控系统,将多CPU协同工作、分布式远程控制技术应用到仿人机器人行走控制中;利用人类行走过程中各关节的转动参数为输入的控制方法,在ADAMS上进行了步态行走试验,分析了动力学参数对机器人步态的影响。研究结果表明,以人类行走方式控制机器人步态行走,机器人行走步态稳定可行,可应用于大型双足步行机器人步态行走控制。     

一种大型复杂构件加工新模式及新装备探讨

大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件，此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统“分体离线加工-在线检测”模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题，以龙门式多轴数控机床加工为代表的“包容式”加工模式，难以适应大型复杂构件的高效高质量加工制造需求。提出一种基于移动式和吸附式机器人的多机协同原位加工新模式，通过多机器人系统自主寻位、精确定位加工与加工质量原位检测，实现大型复杂构件多安装面并行铣削、制孔与打磨等作业。多机器人系统包括移动式混联机器人、吸附式并联机器人、移动式串联铣削机器人、移动式双臂加工机器人和移动式打磨机器人。构建多机协同原位加工模式，需要揭示多机器人协同原位加工行为与大型弱刚性结构件质量控制的交互机理，面临着本体、测量、工艺和集成四个方面的挑战，需要设计高灵活、高刚度的移动式和吸附式加工机器人，解决移动机器人自主准确寻位和超大结构件原位高精检测难题，攻克加工变形误差在线补偿和振动抑制技术，通过集成实现多机协同高效高精加工，为大型复杂构件的高效高质量制造提供创新技术及装备，并实现此类构件制造核心技术及装备自主可控。     

一种基于变权重的六足机器人共享遥操作控制

针对复杂地形环境下的六足机器人步行操作任务,提出一种兼顾机器人行走效率以及稳定裕度的协同调控策略。该策略以现有的速度-位姿协同遥操作构架为基础,融入了共享控制策略,改善系统的操作性和协调性。该方法通过引入优势因子作为主端操作者对机器人的速度层与位姿层操作子系统的控制权重,通过以稳定裕度为输入的模糊推理器求出优势因子,将优势因子引入主从端控制器,主端机器人通过产生触觉力引导操作者进行控制指令的迭代。通过Vortex半物理仿真平台和操作手柄搭建的实验平台对本方法进行验证,并与传统的协同操控方式对比。实验结果表明,通过本策略对六足机器人进行操作能够在保证稳定裕度的同时合理地对机器人速度与位姿进行调控。     

大尺度构件重载高精加工机器人本体设计与性能提升关键技术

基于典型大尺度构件的移动机器人化加工需求背景与发展现状的总结与分析,提出了大工作空间、高刚度、高精度、重载、轻量化、高动态响应、大负载自重比的大尺度构件加工机器人本体的基本性能要求。围绕上述基本性能要求,从机器人本体构型与机构优化设计,高性能加工机器人专用控制器与加工机器人操作系统开发,加工机器人运动学参数动态标定及位姿误差实时预测与动态补偿,刚柔耦合多体动力学建模,机器人动力学控制及主动振动控制等方面,论证了重载高精度加工机器人本体的优化设计及机器人性能提升方法,并完成了大尺度构件加工机器人本体构型与机构的概念设计。大尺度构件加工机器人本体的创新设计与研制,可为航空航天等领域的典型大尺度构件提供高性能的超柔性机器人化加工系统,并有助于推动国产工业机器人关键性能的提升。     

多机器人系统的编队路径跟踪控制

介绍了一种多机器人系统的编队路径跟踪控制方法。首先将非完整约束机器人的动态方程转化为跟随者和领航员间相对运动模型,克服了非完整约束机器人结构奇异的缺点。随后将滑模控制方法应用于多机器人系统中,分别设计了领航员跟踪希望路径的滑模控制律和跟随者跟踪领航员的滑模控制律。算例仿真表明了应用本文介绍的编队路径跟踪控制律,各机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望队形跟踪希望路径。仿真结果验证了此控制方法的有效性。     

多机器人系统中娱乐机器人控制系统的设计

针对娱乐机器人在多机器人系统中的应用,介绍了以嵌入式Linux系统为核心,包括主控制模块、运动控制模块、自定位模块和无线通信模块的娱乐机器人控制系统设计方案,该系统适用于多机器人系统应用并具有很好的可移植性和可扩展性。