舱外航天服手臂的逆运动学解法

针对航天服手臂的特殊软关节结构和多自由度的特点,提出了基于最近邻的快速逆运动学解法,该方法保证在任何测量位置都能得到航天服关节角度的近似解.采用空间分块二步搜索策略,解决了基于最近邻方法求解舱外航天服手臂逆运动学中内存占用量大和效率低的缺点.仿真结果表明,最近邻的快速逆运动学解法在计算精度和实时性上均能满足测试系统的要求.     

Anti-Windup Control Strategy of Drive System for Humanoid Robot Arm Joint

To address the problems of torque limit and controller saturation in the control of robot arm joint,an anti-windup control strategy is proposed for a humanoid robot arm,which is based on the integral state prediction under the direct torque control system of brushless DC motor.First,the arm joint of the humanoid robot is modelled.Then the speed controller model and the influence of the initial value of the integral element on the system are analyzed.On the basis of the traditional anti-windup controller,an integral state estimator is set up.Under the condition of different load torques and the given speed,the integral steady-state value is estimated.Therefore the accumulation of the speed error terminates when the integrator reaches saturation.Then the predicted integral steady-state value is used as the initial value of the regulator to enter the linear region to make the system achieve the purpose of anti-windup.The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm joint based on integral state prediction can play the role of anti-wind-up and suppress the overshoot of the system effectively.The system has a good dynamic performance.     

冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。     

基于实时位置反馈的模块化机器人轨迹跟踪控制

为了提高机器人末端的位置控制精度,以Power Cube模块化机器人为研究对象,采用一种基于Optotrak3020运动测量系统的实时位置反馈控制方法,进行机器人复杂的轨迹跟踪控制研究.分析Power Cube模块机器人的系统结构,关节角度偏差测量,实时位置反馈控制方法的概念及控制结构,然后以模块机器人跟踪一平面圆弧轨迹为例进行三维仿真和实验,验证了该控制方法及实验系统的有效性和可靠性.     

具有非驱动关节机器人模型的研究

以具有非驱动关节的水平两自由度机械手（大臂为驱动臂，小臂无驱动、自由）为对象，建立了其动力学数学模型，对其非完全约束（约束条件为不可积）情况进行了分析，在此基础上，利用解非线性方程的有效方法一平均值法对模型进行了处理，得到了与原系统动力学性能基本等价的平均系统，使模型得到简化，通过非线性系统相平面分析的方法，对原模型与简化后的平均系统模型在扰动作用下的特性进行了分析，得到了满意的仿真结果，验证了简化方法的有效性，简化后的模型可方便地用于该机械手的位置控制。     

Resonance Suppression Strategy for Humanoid Robot Arm

To address the problem of resonance in the control of a robot arm, a resonance suppression strategy is proposed for a single-joint humanoid robot arm based on the proportional-resonant(PR) controller. First, an arm joint model of the humanoid robot is established. Then the influence of resonance frequency on the performance of the control system with the robot arm is analyzed. The voltage fluctuation of the drive motor caused by the changes in arm motion is recognized as the disturbance of the current loop. The PR controller has the characteristic of disturbance rejection at a specific frequency. The output fluctuation of the driving system caused by the change of arm motion state at the resonance frequency is suppressed. Therefore the output current of the inverter will not be affected by the vibration of the arm at the resonance frequency. Finally, the control system is verified by MATLAB/Simulink simulation. The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm based on the PR controller can suppress the resonance of the arm effectively, improving the dynamic performance and system stability.     

面向配电系统的带电抢修作业机器人

面向电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,设计了一种配电系统带电抢修作业机器人,并对其机械结构与控制系统进行了介绍。提出一种基于液压伺服驱动的6自由度机械臂的系统解决方案,通过运动学、动力学和有限元分析优化了部件结构和动力学性能,使其有效负载能力达到最大。针对作业过程中机器人本体与导线发生碰撞等引起的震荡问题,使用非对称控制方法,建立了机械臂的柔顺控制模型,降低了震荡的影响。将整体单目视觉的静态测量与双目手眼视觉系统的动态测量相结合,设计了复杂环境下目标点的高精度动态定位系统,实现了机械臂的局部自主路径规划与运动控制。通过实验验证了所开发的带电抢修作业机器人在10 kV以下配电线路应用的有效性和可行性。     

运动状态下机器人关节面物理参数在线模糊辨识方法

利用模糊自动推理方法,提出了一种辨识运动状态下机器人关节面时变物理参数的方法。该方法是在原有模糊聚类法的基础上,推导出的在线自适应模糊推理算法,可应用在时变非线性系统参数在线辨识中。以三自由度单臂机器人为研究对象,建立了机器人运动状态下的动力学模型,利用该自适应模糊推理算法在线辨识此动力学模型中的机器人关节面时变物理参数。由于该方法采用局部估计算法,实验结果表明,该方法具有工程实用价值。     

连杆侧无传感器下机器人柔性关节系统的零力控制

针对机器人直接示教应用场景,提出机器人柔性关节系统在连杆侧无传感器下的零力控制方法. 引入动态LuGre摩擦模型进行关节摩擦力矩估计,采用2段四次多项式建立柔性关节系统刚度模型,基于广义动量观测关节力矩. 该方法利用刚度逆模型以及关节力矩估算谐波减速器扭转位移,结合谐波减速器运动传递特性估计连杆侧角度并计算重力矩,利用连杆动力学方程估计接触力矩. 构建期望的电机驱动力矩（包含估计的重力矩、摩擦力矩与接触力矩）,通过对该期望电机驱动力矩的跟踪实现零力控制. 在搭建的机器人柔性关节系统实验平台上进行实验. 实验结果表明,完成相同的拖动示教过程时,该方法所需要的接触力矩约为1.8 N·m. 基于重力矩与摩擦力矩补偿的零力控制方法需要接触力矩约为3.4 N·m. 功率级脱离示教所需要的接触力矩约为14 N·m,验证了所提方法的实际效果.     

辅助腹腔镜手术机器人穿刺孔位置标定研究

从临床应用的角度出发,针对研制的带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人被动姿态关节的特点,提出了一种标定患者腹壁穿刺孔位置相对机器人基础坐标系坐标的方法.在机器人小臂的下方安装2个不同倾角的激光源,通过几何关系间接测得患者穿刺孔相对机器人基础坐标系的位置,为机器人控制功能的实现提供了必要的腹腔镜姿态信息.对机器人标定系统进行了实验研究,分析了标定误差产生的原因,研究结果表明该方法可以准确标定出穿刺孔相对机器人基础坐标系的位置,机器人能够完成腹腔镜位姿控制的任务.     

3P-3R机械手曲面轨迹控制的粗插补算法

针对6自由度3P-3R型机械手臂的机械结构,提出了一种基于二次曲面双参数方程的空间轨迹粗插补算法.本文分析空间二次旋转曲面的产品数学模型,通过参数方程求解二次曲面各点在笛卡尔坐标系中的位姿矩阵,从而计算出机械手臂每个关节的电机旋转角度.由MATLAB软件进行验证,观测此二次曲面的粗插补算法的准确度和精确度,生成数据文件后进行6自由度3P-3R型机械手臂的轨迹控制.实验结果验证了此二次曲面粗插补算法对机械手臂目标轨迹控制的正确性和有效性.     

有挠性驱动单元的双足机器人研制与步行实验

为减缓机器人脚底冲击,设计、研制带有挠性驱动的10自由度仿人双足机器人,该机器人髋关节俯仰关节由FDU-II型挠性驱动单元驱动;搭建FDUBR-I型仿人双足机器人控制系统硬件和软件,组建上位机与两块运动控制卡的交换式以太网络用来实现上位机与运动控制卡的实时通信,该控制系统包括FDU-II型挠性驱动单元的张力反馈和关节全闭环控制子系统;进行FDUBR-I型仿人双足机器人稳定步行实验,验证FDU-II型挠性驱动单元对机器人髋关节的驱动能力以及基于黏弹性动力学模型反馈的关节全闭环和张力反馈控制器的控制效果,机器人在0.1 km/h的步速下实现双足稳定步行.     

基于多空间混合约束的NAO机器人抓取轨迹规划

为提高NAO机器人手臂抓取物体的可靠性,本论文提出关节空间和笛卡尔空间控制相结合的方法,设计NAO机器人手臂的轨迹进行目标抓取。由于目标大小已知,利用关节空间控制可以预先设定NAO机器人抓取的最佳姿态,即NAO机器人手臂各个关节角度。运用正运动学,计算手臂移动位置。在设定姿态后的位置与目标点之间,利用笛卡尔空间控制进行轨迹规划。实验表明,在NAO坐标系下,手臂抓取范围内该算法能够在给定范围内准确地完成空间抓取目标任务。     

手臂机器人网络教学实验系统的服务器设计与开发

介绍了一个以手臂机器人为实验对象的远程实验教学系统,主要介绍系统服务器的设计与开发技术.该系统采用B/S三层体系结构模型,主要提供了远程监控、仿真和记录检索的实验功能.通过校园网,用户可以远程访问本系统进行远程控制实验或仿真实验.做远程控制实验时,用户可以在本地选择不同控制算法和提交控制参数,实现对手臂机器人的远程控制,而且能在本地浏览器上在线观看实时的实验运动录像.该系统还可供实验者在线进行仿真实验,模拟对手臂机器人的各种控制效果;同时,还可以保存实验信息,提供历史实验数据查询.     

单关节机器人伺服系统的建模与仿真

为了深入研究机器人驱动系统,需要进行单关节机器人伺服系统的建模与仿真。首先对单关节机器人的规划轨迹、机械结构、电气结构和控制器分别建立数学模型;然后根据数学模型在MATLAB/Simulink平台上搭建伺服系统的仿真模型;最后对仿真结果做了分析,为机器人系统的优化设计与调试提供了有效模型和依据。     

运动状态下柔性关节机器人振动环境预测

为研究柔性关节机器人运动状态下的振动特性,提出一种机构振动环境预测新方法. 以3自由度单臂机器人系统为研究对象,将结构中的行波理论与机器人关节旋转变换矩阵相结合,通过各结点力平衡及位移边界条件,建立机构系统在运动状态下的环境预测模型. 对运动状态下的机器人系统进行振动实验,结果表明本文方法可行.     

合作机器人的关键技术及实验研究

为了使合作机器人(Cobot)在同一作业空间内与人直接进行物理合作,对Cobot的不完全约束关节机构和虚拟轨迹控制2项关键技术进行了建模及实验研究.建立了基于双超越离合器的不完全约束关节机构的模型及约束控制模型,并以五杆式Cobot为实验样机对关节机构的被动约束特性进行了实验验证.提出了基于操作力的轨迹规划方法,建立了轨迹规划模型,并对Cobot跟踪给定直线和圆弧轨迹进行了实验研究.研究结果表明,不完全约束关节机构具有被动特性,可以约束Cobot关节的运动状态;轨迹规划方法可以实现Cobot的轨迹控制.文中的研究成果经过进一步完善,可以应用到合作机器人系统,对完善人机合作技术、扩大机器人产业和提高机器人的作业水平等具有重要的实际意义.     

Design and Kinematics Study on Space Hyper-Redundant Robot

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＳｔｕｄｙｏｎＳｐａｃｅＨｙｐｅｒ－ＲｅｄｕｎｄａｎｔＲｏｂｏｔ￥ＷＵＷｅｉｇｕｏ；ＣＡＩＨｅｇａｏ；ＤＥＮＧＸｉｊｕｎ；ＺＨＡＮＧＴａｏ（吴伟国，蔡鹤皋，邓喜君，张涛）（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇ...     

非驱动关节机器人的位置闭环控制研究

以具有非驱动关节的水平2自由度机器人为研究对象,利用拉格朗日动力学方程,建立了具有非驱动臂的两关节机器人的动力学数学模型,利用求解非线性方程的有效方法——平均值法,对已经建立的二阶非线性微分方程的数学模型进行了平均化处理,实现了数学模型的化简,同时提出了一种非线性闭环反馈的控制方法并对此控制方法进行了仿真,在控制仿真中,实现了对非驱动关节机器人系统的期望控制目标,并验证了模型化简和控制方法的有效性。     

压脚压紧力作用下的机器人变形预测和补偿

针对工业机器人在压脚压紧力作用下由于结构变形所引起的压脚沿工件表面滑移的问题,提出压脚约束下的机器人刚度模型,并基于该模型对机器人变形进行预测和补偿,以提高机器人制孔的定位精度. 基于改进的Denavit-Hartenberg方法建立机器人运动学模型;在此基础上,通过研究机器人末端平移变形与压脚压紧力之间的相互耦合关系,建立压脚约束下的机器人刚度模型,通过基于L-M算法的关节刚度辨识实验获得机器人6个关节刚度的具体数值;应用该刚度模型预测一定压脚压紧力作用下不同孔位的机器人末端平移变形,并对理论孔位信息进行离线补偿. 试验结果表明,在采用上述方法补偿机器人滑移变形后,机器人制孔的平均位置误差由原先的0.22 mm降低到0.05 mm,满足机器人自动化制孔定位精度要求.