仿猿双臂手大阻尼欠驱动连续移动控制与实验

仿猿双臂手大阻尼欠驱动连续移动控制与实验 答辩人 黄民昌导师 吴伟国教授 仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室 目录 Contents 仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室 1 课题研究的背景和意义 2 国内外的研究概况 3 主要研究内容 4 课题研究方案 5 预期达到的目标和取得的研究成果 6 课题研究进度安排与已完成的工作 7 已具备的条件和可能遇到的问题 灵长类仿生机器人 课题研究背景 灵长类动物能够在树枝间进行灵活快速的悬臂摆荡移动 课题研究现状 摆荡机器人 Fukuda课题组 灵长类仿生领域最领先地位 BMR机器人 BrachiatorIII 添加视觉伺服系统的BrachiatorIII GorillaRobotIII 其他学者 国外 Meghdari CEDRA机器人 Rosa Gibbot 国内 哈工大吴伟国教授 张晓华教授 东北大学程红太副教授 课题研究现状 Acrobot Acrobot因为它有欠驱动 强耦合 非线性 结构简单却控制复杂的特点 常常成为各种非线性控制理论的 试验田 Acrobot的控制目标为从下摆平衡位置 摇起到倒立位置平衡 国内外的理论方法有 国外 反馈线性化理论和能量泵入法 Spong 被引量605 李雅普诺夫方法 强化学习法 LQR控制法等国内 模糊控制 基于倒转方法的摇起轨迹控制 遗传算法 粒子群优化算法 滑膜变结构控制等 课题研究现状 大阻尼欠驱动机器人 连杆机器人 引进大阻尼 利于提高机器人可控性 大阻尼时能减弱欠驱动关节的运动耦合 仿猿机器人 引进大阻尼 能赢得更多的抓握时间 提高抓杆可靠性 可抓握区域 国外 Arai 制动 放开 制动的运动方式 Oliver 重力与摩擦力补偿 Olivares和Staffetti 嵌入最优控制 国内 陈炜 分阶段关节空间位置控制 任志全 模糊控制 国内 仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室 课题研究现状 小结 仿生摆荡运动机器人还存在待解决的问题 所简化的模型都是刚体模型 而且没有考虑杆件的变形 连续摆荡运动中 系统能量只能与摆荡构型同时调节 缺乏灵活性 对系统前馈要求严格 手爪的形状都是弯勾状或大开合的夹具 大大降低了抓握难度 大部分机器人只能抓握同等高度的桁架杆 抓杆策略的适用性和鲁棒性比较差一些机器人依靠控制律无法自主从稳定位置摇起 需要额外添加正确方向的扰动 Acrobot机器人的摇起方法不完全适用于仿生摆荡机器人 励振效率低下 研究内容 仿猿双臂机器人结构 运动图解 分为励振阶段 图a d 过渡阶段 图e f 抓握阶段 图g k 连续移动阶段 图l q 研究内容 运动图解 过渡阶段 图e f 抓握阶段 图g k 连续移动阶段 图l q 研究内容 本课题先前研究中遗留的问题 理论研究 机器人的励振阶段 能量泵入效率较低 在抓握阶段 抓握时间过长 不能实现快速可靠的抓握 连续移动阶段的控制方案 控制律没有设计 实验研究 实际机器人设计中存在重量大 关节极限角速度过大 摩擦轮机构采用电位计 精度低 没有设计压紧装置 手爪内表面的摩擦材料层的选用问题 研究内容 本课题要研究内容 理论研究 机器人的励振阶段和抓握阶段控制缺陷的修正 连续移动阶段的控制方案 控制律的设计 连续移动的控制仿真实验 实验研究 机器人本体的设计与改进 实物实验平台的搭建 摩擦轮机构的设计与安装 机器人的参数识别 大阻尼摩擦特性实验研究 摩擦材料的选用与测试 机器人连续移动抓杆控制实验 研究方案 1 基于能量和构形的摇起方法若设欠驱动关节角度为q1 主动关节角度为q2 则控制策略可设计如下 把欠驱动关节和驱动关节通过映射联系起来 调整机器人构型额外设计能量泵入控制律使得机器人能量随时间提升 研究方案 2 连续移动抓杆的控制方案 e过渡阶段 总能量判断 是否超过抓杆构型的势能 超过多少 构型判断 通过几何运动学计算 欠驱动关节是否在可抓握区域内 f k抓握阶段 引入大阻尼 采取 先瞄准 后抓取 的方式 实时由欠驱动关节计算出各关节的期望值并进行运动学控制 e 研究方案 2 连续移动抓杆的控制方案 连续移动阶段 a b 姿态调整阶段 两手爪都呈松握状态 c 松杆阶段 松开后手爪 腕关节 肘关节调整手爪方向 d e 摆荡阶段 前手爪松握桁架杆 机器人下摆 同时肘关节给机器人调整抓握姿态并补充能量 f 抓握阶段 进入大阻尼状态 准备抓握下一个支撑杆 研究方案 2 连续移动抓杆的控制方案 连续移动阶段 d e 摆荡阶段是目前几乎所有摆荡机器人的研究热点 因为这个阶段对肘关节的控制前馈非常严格 松杆时势能 松杆时构型 抓杆时势能 抓杆时构型 智能方法进行前馈规划 机器人轨迹追踪控制 进入大阻尼抓握阶段 研究方案 3 摩擦轮机构设计 此外 对机器人的部件进行有限元分析 对于设计不合理的地方 重设计或去除多余部分以减重 研究方案 4 实际机器人试验平台的搭建 计算机 运动控制卡 驱动器 编码器 5V开关电源 18V开关电源 机器人电机 机器人走线布置于杆件内安全防护装置以仿真实验结果为依据选取合适的摩擦层材料 研究方案 5 机器人参数识别与大阻尼的摩擦特性曲线的测定 计算机滤波处理 给定正弦输入 机器人运动 传感器采样 研究方案 6 实际机器人连续移动抓杆实验 预期目标 新设计的控制律能能满足励振阶段的要求 摇起速度快 取得较好的仿真和实验结果 设计的连续移动控制律能实现一次摆荡连续抓杆 选择合适的摩擦材料 通过实验证明大阻尼抓杆的可行性 仿真环境下 机器人实现从静止开始到连续移动的动作 实际机器人能实现励振与连续移动大阻尼抓握目标杆 发表学术论文 进度安排 目前已完成工作 为完成课题已具备的条件 实验室具有PMAC控制卡和Maxon伺服电机 谐波减速器 实验所用的桁架杆 双臂手机器人本体部分零件和实验室研制的手爪 研究经费充足 PMAC控制卡 谐波减速器 实验室研制的手爪 双臂杆件 研究过程中可能遇到的困难和问题 可能遇到的问题 手爪的大握力 减重与快速开合在设计上难以兼顾 需要找到一个符合条件的平衡点 实际机器人的物理参数摄动的问题 杆件受力变形可能导致抓握时手爪卡死 对于