| 题名 | 具有柔性关节的冗余机器人柔顺控制研究 |
| 作者 | 侯澈1,2 |
| 答辩日期 | 2020-05-29 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 赵忆文 |
| 关键词 | 协作型机器人 柔顺控制 冗余机械臂 机器人动力学 人机协作 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Research on Compliant Control of Redundant Robot with Flexible Joints |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 英文摘要 | 目前，协作型机器人正处于快速发展阶段，在人机协作场景中，机器人具备与环境柔顺接触的能力十分必要。柔顺控制是解决机器人与环境接触问题的重要方法，而协作型机器人复杂的运动特性以及人机协作场景的不确定性给控制器的设计带来了极大挑战，本文针对协作型机器人的柔顺控制方法展开研究，主要研究内容如下：首先针对协作型机器人的动力学建模与模型参数辨识方法展开研究。建立了刚、柔耦合动力学模型。为获得精确的模型参数，本文针对协作型机器人复杂的动态特性，从以下方面展开刚、柔耦合动力学模型参数辨识方法的研究：针对柔性关节参数的辨识问题，提出了基于关节谐振与抗谐振频率特征的频域辨识方法，该方法有针对性地利用柔性关节的谐振与抗谐振的频率与幅值信息建立参数计算模型，减少了测量噪声与误差对辨识结果的影响；针对由机器人连杆组成的刚体动力学参数辨识问题，提出了基于静、动态激励的分步辨识方法，改善统一辨识时多关节耦合干扰问题和逐一辨识时误差逐级传递问题。柔性关节内部具有复杂的动态特性，影响整体控制性能以及鲁棒性，针对该问题，本文提出一种高、低频混合力矩控制方法作为底层控制方法，其主要作用是消除柔性关节内部动态特性对系统的影响，如柔性抖振，非线性摩擦力以及负载变化引起的模型摄动等。该方法以扰动观测器的基本结构为基础，通过Q滤波器将闭环系统的频率特性分离，并分别针对不同频段的频率响应特性设计控制器：在低频段，系统的动态特性接近名义模型，因此，以柔性关节的名义模型作为被控对象，设计控制器并将闭环系统构造为标准的二阶系统，将低频控制器的设计问题被转变为标准二阶系统的设计问题；在系统的高频段，测量噪声、模型摄动以及摩擦力扰动对系统鲁棒性具有较大影响，针对该问题，提出了基于混合灵敏度求解方法设计高频控制器。最后本文推导了该方法的全局稳定性条件。进一步针对冗余机器人在笛卡尔空间的阻抗控制问题展开研究。研究分两部分进行，第一部分为机器人末端在笛卡尔空间阻抗控制问题的研究，第二部分为机器人冗余自由度阻抗控制问题的研究。第一部分根据目标阻抗关系推导了笛卡尔空间阻抗控制律，控制律的状态变量中含有欧拉角，针对欧拉角在连续运动中的突变问题，本文将欧拉角的解划分为两种状态，并设计状态转换条件使欧拉角的解在连续运动中始终保持连续，从而增强了阻抗控制的鲁棒性。第二部分针对机器人冗余自由度的阻抗控制问题展开研究，研究对象限定为具有S-R-S构形的7自由度机器人，首先根据S-R-S构形的空间几何特征对冗余自由度的位置与接触力进行参数化处理，并针对冗余自由度的柔顺控制问题设计了冗余阻抗控制方法，实现冗余自由度位置与力的统一控制。进一步，在该冗余阻抗控制方法的基础上提出了运动优化方法，该方法的主要优势是降低了搜索空间的维度，简化了运算。最后，本文对上述方法进行了综合实验研究。搭建了7自由度协作型机器人原理样机实验平台以及单关节实验平台，实验结果验证了所提方法的可行性以及有效性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 126页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27159]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 侯澈. 具有柔性关节的冗余机器人柔顺控制研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
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