服务机器人关节力柔顺控制研究

摘要

人机交互是机器人技术的一项重要发展方向，主要处理人与机器人的交互、协作。机器人碰撞检测技术和关节力柔顺控制的研究提高了服务机器人的人机共融能力。目前常用感知机械臂意外碰撞的方法是增加外部传感器，而这类传感器的使用显著提高了硬件成本。针对这一问题，本文以优必选科技有限公司设计的Cruzr服务机器人的机械臂为研究对象，对以电流为参数的碰撞检测方法进行了分析，并对服务机器人关节力柔顺控制进行了研究。主要内容如下： 根据Cruzr机械臂的机械结构，建立连杆坐标系，设计正运动学方程计算算法，并通过Matlab机器人工具箱验证算法的准确性。采用封闭解法求解逆运动学，设计算法求出所有逆解。通过牛顿-欧拉法完成对Cruzr机械臂的动力学建模。 分析了利用电流来检测碰撞的方法，建立了动力学模型。为了简化动力学参数辨识，提出一种简单有效的基于电流变化速率的碰撞检测方法。后继续改进了基于电流变化速率的碰撞检测算法，防止当机械臂改变速度时，电流突变造成的碰撞的误判，对于碰撞检测阈值如何确定这一问题，提出了一种基于电机不同速度的动态阈值检测方法。 以实现柔顺拖动为目标，对比分析了力/位混合控制和阻抗控制，在此基础上提出一种利用关节电流变化速率来实现柔顺控制的方法，针对碰撞力的方向判定这一问题，提出利用电位计来辅助判断和先预判碰撞力方向再通过下周期电流变化确定碰撞力方向两种解决方案。 通过关节碰撞检测实验和柔顺拖动实验对力觉感知算法和柔顺控制算法进行实验验证。实验结果表明，当碰撞发生时，机械臂可以快速检测到碰撞并做出响应，在Cruzr机器人上可以检测到大于1N的外部碰撞力，响应时间小于30ms；能够在低速下实现人手对服务机器人的力柔顺拖动，达到预期目标。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 研究现状

1.3.1 服务机器人发展现状

1.3.2 机器人力感知研究现状

1.3.3 机器人力柔顺控制研究现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 5-DOF机械臂运动学和动力学分析

2.1 Cruzr机械臂机械结构

2.2 Cruzr机械臂运动学方程

2.2.1 正运动学

2.2.2 逆运动学

2.3 Cruzr机械臂动力学建模

2.3.1 动力学算法和方程

2.3.2 Cruzr机械臂动力学

2.4 本章小结

第3章 基于电流反馈的机器人关节碰撞检测

3.1 方案设计

3.2 关节力矩和电流之间的转换

3.3 电流滤波处理

3.4 基于动力学模型理论电流的碰撞检测

3.5 基于电流变化速率的碰撞检测

3.6 本章小结

第4章 服务机器人力柔顺控制

4.1 力/位混合控制

4.1.1 控制坐标系

4.1.2 自然约束和人为约束

4.1.3 力/位混合控制基本原理

4.2 阻抗控制

4.3 Cruzr机械臂的力柔顺控制研究

4.4 本章小结

第5章 机器人力柔顺控制实验

5.1 硬件环境

5.2 软件环境

5.3 实验

5.3.1 关节电机力矩和电流关系标定

5.3.2 碰停实验

5.3.3 力柔顺拖动实验

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

附录