双臂机器人控制系统及同步阻抗控制方法研究

摘要

随着自动化技术的发展，双臂机器人在家庭服务、医疗等领域发挥了越来越重要的作用，而这些领域对机器人的人机交互能力提出了更高的要求，因此机器人阻抗控制成为双臂机器人领域研究的重要方向。本文结合机器人宇航员项目研制了一种双臂机器人控制系统，开展了双臂机器人同步阻抗控制方法和双臂机器人多空间同步阻抗控制方法的研究工作，并利用搭建的双臂机器人平台对相关的控制方法进行了验证。
　　设计了双臂机器人的中央控制系统和模块化的关节控制系统。中央控制系统采用基于EPIC技术的工业控制器，并设计了以FPGA为处理核心的PCI总线和PPSeCo总线转接板，系统具有集成性好的优点；采用VxWorks操作系统，并以Matlab为用户应用层，具有方便调试的特点；设计了具有双向时钟同步功能的串行通信模块实现中央控制系统与关节控制系统之间的通信，该模块可以有效降低LVDS通信方式的误码率，实现多自由度机器人平台的高速、可靠通信；同时，关节控制系统集成了一款绝对式角度位置传感器，该传感器具有抗干扰能力强、集成性好和成本低等优点。
　　针对双臂机器人夹持操作任务对双臂的位姿和力的同步性要求较高的问题，提出了双臂机器人同步阻抗控制方法。根据机械臂的末端位姿和力的期望值与实际值之间的关系得到了机械臂末端的同步位姿误差、力误差以及同步力误差等补偿量，并将这些补偿量引入到同步阻抗控制器中，实现了基于位置和力的双臂机器人同步阻抗控方法，该方法既可以保证双臂之间位置同步性，又可以保证力的同步性，从而减小机械臂与物体之间的接触力误差和物体所受合力误差，进而提高双臂机器人操作物体的性能。
　　针对双臂机器人在操作物体过程中存在受多点扰动的情况，本文提出了双臂机器人多空间同步阻抗控制方法。该方法以空间作为优先级顺序的划分标准，每个空间的阻抗控制方法采用相同的阻抗控制参数，实现了划分标准的简化；在优先级策略的制定过程中，设计了一种广泛的优先级参数，该参数定义了一个空间的某一维元素针对另外一个空间某一维元素的优先级顺序及可实现程度，同时为了消除在优先级转换过程存在的阶跃现象，本文对优先级参数进行了平滑化处理；另外，针对不同的干扰力，利用关节力矩传感器和机械臂末端六维力矩传感器实现了关节姿态保持力矩和关节任务力矩的解耦，并根据关节的姿态保持力矩得到了零空间扭矩和关节空间阻抗控制器的输入力。
　　搭建了双臂机器人实验平台，对双臂机器人同步阻抗控制方法和双臂机器人多空间同步阻抗控制方法进行了实验验证。实验结果表明，同步阻抗控制方法可以有效减小物体夹持过程中机械臂与物体接触力误差以及物体所受合力的误差，多空间同步阻抗控制方法则可以保证系统在不同空间同时受到扰动后，系统对不同干扰都有柔顺响应，从而保证了系统的安全性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 双臂机器人及控制系统研究现状

1.3 双臂机器人同步阻抗控制方法研究现状

1.4 双臂机器人多空间同步阻抗控制方法研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 双臂机器人控制系统设计

2.1 引言

2.2 双臂机器人平台

2.3 双臂机器人中央控制系统设计

2.4 机械臂关节控制系统设计

2.5 机械臂关节测试实验

2.6 双臂机器人模型

2.6 本章小结

第3章 双臂机器人同步阻抗控制方法研究

3.1 引言

3.2 双臂机器人同步位置控制方法

3.3 同步阻抗控制方法

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第4章 双臂机器人多空间同步阻抗控制方法研究

4.1 引言

4.2 双臂机器人各空间阻抗模型

4.3 多空间同步阻抗控制方法

4.4 本章小结

第5章 双臂机器人阻抗控制实验

5.1 引言

5.2 双臂机器人同步阻抗控制实验

5.3 双臂机器人多空间同步阻抗控制实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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