特殊作业机器人的多维力传感器及力控制研究

摘要

在载人航天、深空探测等特殊作业中，遥操作机器人是完成各种复杂任务的主要手段。通过多维力传感器进行力觉感知是遥操作机器人一项关键的环境信息获取方法。多维力传感器是机器人力控制关键设备。深空探测中，对多维力传感器的大量程、超高温差、高精度、高可靠性等要求为传感器的设计带来了巨大挑战。此外，多维力传感器特有的维间耦合误差仍是制约传感器精度的重要因素。本文主要面向空间站外机械臂设计了大型六维力/力矩传感器系统，并对其力学模型、解耦算法等方面进行了深入研究。同时开展了空间遥操作机器人建模与透明性分析，半自主式力控制理论与实验研究。
　　首先设计了空间大型机械臂六维力/力矩传感器系统，主要包括十字梁型弹性体、基座等部件机械结构设计。通过ANSYS有限元静力学分析了各维力/力矩作用下弹性体受力变形情况、应变分布情况及应变与外载荷各参数之间的关系。根据静力学分析结果确定应变片分布及惠斯通电桥的组桥，给出电桥输出压值计算公式并设计了后续放大电路。通过有限元方法分析了弹性体振型、固有频率及工作带宽。设计了用于地面静态标定实验的数据采集电路，基于NI Measure Studio的数据采集软件，选取耐高低温材料制作原理样机并进行静态标定实验，验证了传感器设计的有效性，为后续力学建模与解耦算法的研究奠定了基础。
　　弹性体贴片处应变是多维力传感器设计的重要指标。为提高多维力传感器设计效率，提出基于力学建模的十字梁型弹性体应变的快速算法。首先将十字梁型弹性体的主梁与浮动梁简化为以铰支、悬臂等形式固定或相互连接的短梁或深梁，建立各维力/力矩作用下的力学模型。然后采用位移法和铁木辛柯两广义位移梁理论，根据边界条件对静不定结构的力学模型进行分析，最后获得弹性体应变的解析解。静态标定实验采用静态应变仪检测弹性体贴片处应变，分别采用单维力/力矩和复合力/力矩标定的方法验证了所提出算法的正确性和快速性。
　　维间耦合误差严重制约着多维力传感器的测力精度。本文论证了传统的基于矩阵广义逆的线性解耦算法和基于神经网络的非线性解耦算法因容易产生病态矩阵和过拟合等现象而具有不稳定的缺点。为提高解耦算法的可靠性，从耦合误差产生的原理出发，分别提出基于耦合误差建模的线性解耦算法和基于ε-支持向量机与耦合误差建模的非线性解耦算法，阐述了解耦步骤。通过实验论证了所提出的算法相比传统的解耦算法具有较高且稳定的解耦精度，对粗大误差具有较强的鲁棒性。
　　对多维力传感器的等效刚度、质量、阻尼与其动态特性的关系进行了分析。在传统的遥操作机器人系统结构基础上，建立了包含多维力传感器和负载动力学的主从式力反馈遥操作系统的动力学模型，进而求解遥操作系统等效二端口网络的混合矩阵。通过对遥操作系统等效二端口网络的分析和仿真实验强调了从机器人控制阻抗对遥操作系统透明性的作用。
　　为克服遥操作机器人系统中时延和操作者手部抖动等因素引起的不稳定问题，针对远程装配、打磨等需要从机器人末端与远地环境沿接触面法向保持一定范围的接触力，而切线方向跟随主机器人末端运动的遥操作任务，提出一种基于阻抗控制的半自主式遥操作系统力控制策略。在接触子空间采用包含阻抗控制外环和模糊PI位置控制内环的基于模糊PI位置控制的阻抗控制器。为降低力噪声对控制性能的影响，以力偏差和法向速度作为模糊控制器的输入，根据接触状态实时调节PI控制器参数。用SLAM法对环境阻抗进行辨识，以辨识结果为参考设定阻抗控制器参数。在自由运动子空间采用主从式位置跟踪的PID的位置控制策略。最后以Omega.7手控器和WAM机器人为硬件平台，以太网Socket API建立网络通信，搭建了可模拟时延的地面主从式力反馈遥操作系统。实验结果表明了控制策略在时延作用下可保证系统稳定，同时对刚性环境和柔性环境都具有较高的位置控制精度和力控制精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 多维力传感器研究动态

1．2．2 遥操作机器人力控制研究现状

1．3 目前存在的主要问题

1．4 研究内容和论文组织结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文组织结构

第二章 空间机械臂六维力／力矩传感器的设计与研究

2．1 引言

2．2 传感器系统组成与弹性体结构

2．3 弹性体有限元分析

2．3．1 有限元分析模型的建立

2．3．2 载荷施加与求解

2．3．3 静态性能有限元分析

2．3．4 动态性能有限元分析

2．4 机械结构设计

2．5 电桥与放大电路设计

2．5．1 应变片分布与组桥

2．5．2 放大电路设计

2．6 数据采集系统设计

2．6．1 数据采集电路设计

2．6．2 数据采集上位机软件设计

2．7 标定实验与数据结果

2．8 本章小结

第三章 基于力学建模的十字梁弹性体应变的快速算法

3．1 引言

3．2 十字梁型弹性体机械结构与尺寸

3．3 十字梁型弹性体力学模型的建立

3．3．1 Fx下弹性体静力学分析

3．3．2 Fz下弹性体静力学分析

3．3．3 Mx下弹性体静力学分析

3．3．4 Mz下弹性体静力学分析

3．4 实验验证与结果

3．4．1 十字梁型弹性体有限元仿真实验

3．4．2 十字梁型弹性体静态标定实验

3．4．3 力学模型的验证

3．5 本章小结

第四章 高可靠性静态线性解耦算法

4．1 引言

4．2 基于矩阵广义逆的静态解耦算法及存在的问题

4．2．1 基于矩阵广义逆的静态解耦算法

4．2．2 病态矩阵对解耦精度的影响

4．3 基于耦合误差建模的静态线性解耦算法

4．3．1 线性耦合误差建模

4．3．2 线性解耦步骤

4．4 实验验证与结果

4．4．1 基于矩阵广义逆的静态解耦算法应用

4．4．2 基于耦合误差建模的静态线性解耦算法应用

4．4．3 对粗大误差的鲁棒性

4．5 本章小节

第五章 基于支持向量机与耦合误差建模的非线性静态解耦算法

5．1 引言

5．2 静态非线性解耦算法

5．2．1 非线性耦合误差模型

5．2．2 基于∈-SVR的非线性拟合

5．2．3 解耦步骤

5．3 实验验证与结果

5．3．1 基于标准径向基神经网络解耦算法的应用

5．3．2 基于耦合误差建模与∈-SVR的非线性解耦算法的应用

5．3．3 算法的时效性

5．3．4 对粗大误差的鲁棒性

5．4 本章小节

第六章 主从式力反馈遥操作机器人系统的建模与透明性分析

6．1 引言

6．2 机器人腕力传感器动力学建模与分析

6．2．1 动力学建模

6．2．2 挠度和转角与贴片处应变线性关系的论证

6．2．3 频率特性分析

6．3 力反馈遥操作系统动力学建模与分析

6．3．1 包含操作者的主机器人系统动力学模型

6．3．2 包含多维力传感器和环境的从机器人系统动力学模型

6．4 力反馈遥操作系统二端口网络建模与分析

6．4．1 遥操作系统二端口混合矩阵建模与求解

6．4．2 讨论

6．5 实验与结果分析

6．5．1 传感器动态标定试验与参数辨识

6．5．2 遥操作系统仿真实验与结果分析

6．6 本章小结

第七章 基于阻抗控制的半自主式遥操作力控制研究

7．1 引言

7．2 相关概念

7．2．1 关节坐标系下主从机器人的动力学模型

7．2．2 添加比例因子的时延通讯模块

7．2．3 自由空间的PID位置控制

7．3 半自主式顺应性遥操作系统的力控制

7．3．1 基于位置控制的阻抗控制模型

7．3．2 环境的SLMS阻抗辨识方法

7．3．3 模糊PI位置控制器的设计

7．3．4 半自主式顺应性遥操作系统设计

7．4 力反馈遥操作机器人实验系统

7．4．1 Omega．7手控器

7．4．2 WAM机器人

7．4．3 网络通信

7．5 实验验证与结果分析

7．6 本章小结

第八章 研究总结与展望

8．1 论文研究工作总结

8．2 论文主要创新点

8．3 未来研究展望

致谢

参考文献

作者简介(包括论文和成果清单)