基于手控器触觉共享控制的主从遥操作

为了提高主从遥操作的效率和系统的安全性,设计了能够实现主从位移控制的手控器,构建了基于虚拟墙引导主动控制模型,通过融合操作者的人工控制和机器人的视觉引导,实现机器人遥操作中主从两端的信息共享和相互引导,对手控器和从端作业机器人进行控制。通过搭建基于共享控制策略的手控器-机器人系统实验平台,验证所设想控制方法的有效性,最终实现了提升主从遥操作的作业效率,减轻了机器人对环境的瞬间冲击,提高了系统的安全性。     

遥操作工程机器人p-f力反馈控制方法

结合液压主、从遥操作工程机器人的特殊性,在分析已有控制方法的基础上,应用阀控液压马达和力传感器构成新型液压力伺服控制器,形成p-f结构主动力反馈双向伺服控制系统.代替以位置误差、位置误差的变化率或其组合形成的p-p型被动力反馈控制结构,在工程机器人双向伺服控制系统中应用主动力反馈结构.在空载和弹簧负载情况下,分别进行了力、位置跟随性能实验,实验结果表明.p-f型力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手准确连续地跟随从手受力情况,改进了遥操作工程机器人力反馈的性能.提高了力反馈透明度.     

液压力觉双向伺服系统的策略切换控制

在主手为液压力反馈手柄而从手采用液压缸位置伺服装置驱动的力觉双向伺服系统中,为解决从手与刚性物体接触时产生的震荡问题,提出策略切换控制算法。针对柔性负载,采用包含主从手力及位移的四通道式从端驱动型策略,使用主从手力之差驱动从手,再以主手跟随从手位移;在刚性负载下,为避免从手力突变影响位置环而产生震荡,采用不包含从手力的三通道策略;根据从手负载力和速度设计判断指标,控制两种策略的切换。通过刚柔性两种物体的抓取实验证明该策略对刚柔性物体均有良好的力反馈控制效果,并避免了原有的从端力驱动型策略在抓取刚性物体时产生的震荡问题。     

基于力传感器重力补偿的机器人柔顺控制研究

基于力觉控制的机器人运动系统能够通过感知外界环境的接触力,实现机器人作业过程中对力和位置的双重控制。为了提高机器人对接触力的感知精度,实现准确的柔顺控制,提出一种基于力传感器重力补偿的机器人柔顺控制方法。首先,通过调整机器人末端姿态,采集机器人不同位姿下力传感器数据,计算机器人底座安装倾角、力传感器零点数据、末端工具重力及重心坐标等参数;然后,利用机器人姿态变换矩阵,实现对力传感器的重力补偿,为机器人柔顺控制提供准确的受力感知;最后,采用导纳控制,实现机器人对物体的抓取搬运。进行了力传感器重力补偿实验及机器人柔顺放置实验,结果表明,该方法能够提高机器人对外界环境感知的精准度,实现精准的机器人柔顺控制。     

基于Kinect的机器人抓取系统研究

智能抓取搬运机器人能够高效、可靠地完成各种搬运任务,降低工作人员的劳动强度,精准的物体定位是机器人执行搬运任务的基础。本文研究了基于Kinect的机器人抓取系统,可实现物体的类别检测、物体定位及机器人抓取任务。抓取系统由3个子系统(物体检测系统、物体定位系统及机器人抓取系统)组成。首先利用Kinect采集的物体图像信息训练单次多盒检测(Single multi-box detection,SSD)模型,然后根据SSD模型对物体的类别进行检测,得到物体在图像中的边框,并获取边框中物体像素坐标和深度,接着通过Kinect相机手眼标定法将像素坐标和深度转换到机器人基坐标系中,实现物体的定位,最后通过机器人逆运动学求解关节角,驱动机器人运动完成抓取搬运任务。对机器人进行了物体的定位和抓取实验,实验结果表明,物体的定位误差较小,物体抓取搬运实验的平均成功率达到97%,满足物体的抓取搬运需求。     

电液手控器型遥操作机器人力反馈控制策略

针对现有电动力反馈操纵装置存在刚度小、力效果不明显的问题,设计了电液伺服力反馈手控器。该手控器在水平方向上具有X、Y两个旋转自由度,每个自由度采用单独的伺服阀控液压马达驱动,空间运动互不干涉。综合传统的力反射伺服型和并列型双向伺服控制算法的优点,提出力/位置偏差复合型主从双向控制策略。以液压手控器为主手,四自由度工程机器人为从手,进行主从遥操作力反馈双向伺服试验研究。验证了力/位置偏差复合型控制算法能有效提高系统响应的快速性和稳定性。     

农业机器人灵巧手遥操作虚拟现实实验平台——基于LabVIEW

为了实现农业机器人灵巧手遥操作功能,提出并设计了基于虚拟现实技术的实验平台;利用NI公司的LabVIEW开发了遥操作上位机,能够对灵巧手抓取过程进行实时控制与监测。实验结果表明:农业机器人灵巧手能够根据物体大小精准地抓取物体,具有可靠性高、稳定性好等特点,可以满足农业机器人采摘要求。     

遥操作机器人存在时延的位置控制研究

以电液伺服遥操作主从机器人为控制对象 ,在系统存在时延的条件下 ,实现机器人从动机械手位置和姿态行程跟随主手操纵柄位置的控制。通过建立电液比例阀控制不对称液压缸的数学模型 ,分析了 Smith数字控制器的原理和实现方法 ,并与传统的控制方法进行了对比研究。针对不同时延进行了仿真试验 ,仿真结果表明 ,该方法对电液伺服遥操作机器人的位置控制具有良好的效果和较强的鲁棒性 ,证明了方法的有效性     

力觉反馈的电液位置伺服控制系统研究

通过对力觉临场感主从机械手分析，借鉴电随动主从随动控制系统的研究方法，结合液压主从操纵机器人的特殊性，综合考虑了对称型和力直接反馈型双向伺服控制系统的特点，提出了力-位置综合型双向伺服控制算法，以位置误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量，以从端受力反馈控制量的增益，实验结果验证了新方法的有效性。     

基于立体视觉的遥操作机器人力感示教控制策略

为提高遥操作机器人的安全性和操作性能,利用人类对力觉信息更敏感的特点和视觉特有的“预测与导引”功能,将视觉对现场环境的认知结果以虚拟力(包括作业对象引力、障碍物斥力)的方式同操作者的操纵力信号融合,提出遥操作机器人的力感示教控制策略.力感示教控制策略将机器智能与人类高级决策的优点相结合,可有效提高遥操作机器人的作业效率与局部自主,降低对操作者熟练程度的要求,以及避免大时延系统中由图像时滞导致的机器人操控盲目性.对该控制系统的体系结构、作业环境空间信息的提取、控制方法等进行了阐述,并通过实验验证了控制方法在提高遥操作机器人作业效率和安全性等方面的优越性.     

基于滑块摇杆机构的柔性三指机器人手爪研究

多指机器人手爪普遍存在指端作用力弱的问题,柔性机器人手爪也出现末端作用力不足的现象,采用气压驱动的软体手爪虽驱动力增强,但不利于手爪控制的准确性,为此,设计了一种基于滑块摇杆机构的柔性三指机器人手爪。该手爪每根手指的指尖、指中节采用滑块摇杆机构实现,不仅增强了指端作用力,而且结构简单、易实现。为避免手指与目标物的刚性接触,手指尖、指根运动均通过弹簧来实现手爪的柔性;指尖驱动弹簧设计得较软,有利于初始接触的柔性;指根采用腱传动方式,指根腱采用较硬的弹簧来传递舵机扭力,可保证足够的作用力;手指表面均设计有较平的表面,有利于粘贴触觉传感器。通过理论分析与计算,证明指尖可获得较大的作用力,并分析了弹簧的选取方法。通过抓取实验证明本文设计的机器人手爪具有较好的适应性和抓取能力;与本课题组前期设计的钢丝绳耦合欠驱动式机器人手爪进行了抓取力对比测试,结果表明,手爪的抓取力有了很大提升,最大抓取质量达1.71kg;通过测试指端正压力与驱动舵机旋转角的关系以及抓取典型目标物的损伤情况,证明了设计的手爪具有一定柔性。有关性能实验证明了设计的手爪具有较好的实用性。     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

混合阻塞变刚度软手指设计与实验

为了解决单一阻塞介质变刚度软机械手抓取复杂外形物体效果不佳的问题,受人体手指结构启发,设计了一种仿指腹结构的混合阻塞变刚度软手指。将其设计为双层结构,外层为气动驱动器,内层为基于主动层干扰与被动颗粒阻塞的混合阻塞变刚度层,使得软手指自动贴合被抓取对象,实现主动驱动的被动适应,并通过调整刚度实现可靠抓取。基于传统缝纫工艺,采用超弹性硅胶材料制造软手指。采用Euler-Bernoulli梁理论和虚功原理,建立了基于悬臂梁结构下的多材料软手指的刚度控制模型,并据此提出增大整体刚度的材料筛选方法。弯曲特性实验表明软手指的弯曲性能优异。变刚度和抓取实验结果表明,混合阻塞软手指刚度增大4.6倍,建立的刚度模型最大相对误差为3.4%;在抓取对象表面粗糙度增大的条件下,软手指拉脱力仍增大17%,达到1.7N;相较于单阻塞介质软手指,抓取成功率和承载能力均得到显著提高。     

基于滑觉检测的农业机器人果蔬柔性抓取控制研究

果蔬采摘是水果蔬菜生产种植中最繁琐、最耗时间、最费精力的部分之一,直接影响果蔬日后的价值和销售。随着经济的快速发展、外出务工人员增多及农业劳动力减少,劳动力在果蔬种植成本所占比例越来越大。实现果蔬自动化采摘是降低成本、释放农业劳动力的重要举措。20世纪80年代,美国成功生产了世界上第1台西红柿采摘机器人。近年来,随着信息技术和自动化技术的高速发展,农业采摘机器人的研究和开发取得了很大进步,但对果蔬柔性抓取的研究进展较慢。为此,基于滑觉传感检测技术与果蔬损伤机理,以农业机器人采摘控制系统为研究平台,运用离散小波变换算法,从传感器和抓取力控制着手,深入研究和设计了农业机器人柔性无损采摘控制系统。试验表明:系统运行稳定,可靠性强,对实现果蔬柔性采摘具有十分重要的应用意义。     

苹果采摘机器人仿生机械手静力学分析与仿真

提出了一种应用于苹果采摘机器人末端执行器的仿生机械手。采用腱传动式仿生机械手取代了简单的夹具,提高了末端执行器在复杂环境中抓取苹果的适应性。建立了腱传动式机械手开环控制的驱动力和抓握力间的力学模型。仿真结果表明,在相同的驱动力下,腱传动仿生机械手的抓握力与其机构参数相关。其中,有效抓握力由手指的长度和厚度决定;抓握力的分布由各指节的长度比例决定;手指的初始张角决定了其可抓取苹果的半径范围;随着苹果半径的增大,有效抓握力将减小。摩擦力能够改善抓握力在各指节的分布,使抓握力分布均匀化,同时使有效抓握力变大。     

三叉式输送喂入机构设计及仿真

针对现有侧喂入方捆机的喂入机构在对玉米秸秆、高粱秆等长而坚韧的作物秸秆和苜蓿、稻草等短而柔软且缠性较大的作物秸秆输送喂入时,输送喂入不通畅,喂入机构容易产生堵塞的问题,设计了三叉式输送喂入机构。采用Solidwork软件进行实体建模、虚拟装配和检查叉体之间的干涉情况,利用ADAMS虚拟仿真技术对三叉式输送喂入机构进行运动模拟和分析,得到该机构各叉体端点的运动轨迹和速度、加速度运动规律,验证了理论数据的近似准确性,克服了传统设计存在的设计周期长和设计效率低的问题,为三叉式输送喂入机构的设计提供理论依据和可行的方法。      

面向夹持机构的紧凑型串联弹性力控驱动器设计与试验

串联弹性驱动器力控性能优异,在机器人无损抓持应用领域具有较好的应用前景。设计一种集成伺服电机、弹性元件、编码器等部件的高度紧凑型串联弹性驱动器。采用试验手段对串联弹性驱动器进行模型辨识,获得控制角度轨迹与驱动力观测模型,并通过PD控制器实现力控。通过刚性与超弹性物体力控加载试验,研究串联弹性驱动器力控响应与误差特性。通过物体自适应抓持与人机交互试验分析串联弹性驱动器力控自适应抓持与外力自感知特性。试验结果表明,串联弹性驱动器对刚性物体加载控制较快,力控稳态时间约0.35s,且无超调出现。由于超弹性物体变形迟滞特性,其力控响应时间显著高于刚性物体。串联弹性驱动器力控模式能够实现物体自适应抓持,且抓持力度与速度可调。串联弹性驱动器可在不依赖指尖力传感器的情况下实现抓持力感知,有利于简化硬件与控制系统。     

基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略研究

针对并联机器人在作业过程中的位置精确控制及柔顺控制问题,提出了基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略,实现并联机器人在作业过程中位置和力的高性能动态交互。基于外力估计的柔顺控制实现过程中,考虑到接触力传感器成本较高,提出一种无传感器外力估计的方法。首先建立并联机器人以及伺服运动系统动力学模型,利用所建立的动力学模型和电机的电流反馈值来估算外力作用时机器人关节力的变化。其次根据估算的并联机器人关节力,设计基于位置的阻抗控制,使并联机器人末端执行器与环境柔性接触,确保并联机器人的作业精准度与柔顺度。最后选取合适的阻抗控制参数,对所提出的柔顺控制策略进行仿真分析并且在搭建的实验平台上进行了实验验证,实验结果表明所提出的方法可以实现并联机器人的精确柔顺作业。     

基于速度逆运动学的六足步行机器人位姿闭环控制

六足步行机器人位姿控制系统是强耦合冗余非线性系统,对单腿速度逆运动学进行研究,建立六足步行机器人速度逆运动学模型,对六足步行机器人位置和姿态进行解耦控制。对机器人位置和姿态采用比例控制策略,建立机器人位置控制闭环和姿态控制闭环实现六足步行机器人位姿闭环控制。基于六足步行机器人平台,由MATLAB和ADAMS建立六足步行机器人仿真模型,并对六足步行机器人位姿闭环控制进行联合仿真,仿真结果验证了六足步行机器人位姿闭环控制方法的正确性。