刘志钢[1]2006年在《基于网络的主从遥控机械手的主手设计》文中研究指明主从遥控机械手的目的就是通过主手去控制远处的从手,以完成作业任务。主手是人与从手的交互接口,操作者要通过主手控制机械手完成高精度的运动。主手对于系统的可操纵性、力保真度、稳定性都具有重要的影响。因此,高性能的主手及其控制系统是精确完成遥操作的重要保证。该课题是“基于网络的主从遥控机械手”的一部分。在查阅了大量文献的基础上,侧重基础研究,针对本课题中使用的从手的特点,研制出具有体积小、惯性小、运动灵活等特点的六自由度自平衡式直角坐标型主手,并在此基础上研制了主手的驱动控制系统,同时在网络控制方面进行了原理性的分析。
陈忠凯[2]2015年在《主从机械手夹持力感伺服系统控制研究》文中提出随着人类社会发展对资源消耗的日益加剧,核能作为一种低成本高储量的清洁能源,已经受到世界各国的广泛关注,掀起了一股开发利用的热潮。由于核辐射性,操作人员难以近距离维护核设施及处理核废料,因此用主从机械手代替人完成相关任务成为最佳的选择。目前,主从机械手在国外已被广泛应用于核电站和核科学试验中,但在国内尚处于起步阶段且部分核心技术受到国外封锁。对主从操作来说,主手力感反馈成为决定主从机械手工作品质的核心和关键。因此,研制主从机械手力感反馈控制系统,精确快速地实现力感反馈,对于核工业发展具有重要意义。论文在分析现有主从机械手研究现状和力控制策略应用于力感反馈存在的问题基础上,确定了电机驱动钢丝绳—绳套传递式夹持力感伺服控制方案。论文首先介绍了主从手夹持系统设计方案和工作原理,确定了交流永磁同步电机作为驱动执行元件,利用钢丝绳—绳套进行力传递的主从夹持系统的设计方案。在此基础上对运动控制器、驱动电机、传感器、钢丝绳等关键部件进行了选型。主从手夹持系统属于典型的双向伺服控制,分为角位置控制和力感伺服控制两部分。针对夹持力感伺服控制系统,通过推导其传递函数,建立数学模型,在此基础上设计了PID控制器,对其控制效果进行了仿真分析和实验验证。针对主手手柄转动产生的位置干扰,考察了其在PID闭环控制条件下对整体控制特性的影响。结果表明,在正常操作范围内,主手手柄角位置的干扰能够忽略。在参数整定时,结合闭环系统阶跃响应曲线的特性分析,建立其与PID各参数的关系,进行了参数优化。最后利用Fuzzy-PID控制理论,设计了模糊自整定PID控制器。利用Matlab/Simulink创建了系统模型,分别进行了PID和Fuzzy-PID的单位阶跃响应仿真分析。结果表明,模糊自整定PID方法能够满足控制要求,性能较好,整定过程较为简单快速、省时省力,尤其适用于已知模型传递函数的情况。
张星星[3]2016年在《水下机械手结构设计及主从控制方法研究》文中提出目前,核能在许多国家的能源领域中所占比例越来越大,由此带来的核能安全问题也被提升到一个新的高度,利用先进的机器人技术解决核电站中的设备检测、管道维护、水下焊接等作业任务已成为工业机器人发展的一个热点。特别是核电站的反应堆和乏燃料水池等具有高放射性,且关键设备多处于水中工作,水下检测、堵漏和焊接等工作更是增加了工作人员的风险,因此研究一款主从式水下作业机械手具有重要安全和实用价值。本文通过研究主从式机器人、水下机械手的发展现状,针对中小型核电站反应堆的水下检测、焊接作业要求,设计了一款主从式水下机械手,并在此基础上开展了机械手的运动学分析、主从尺度映射关系分析、机械手刚度分析、机械手末端误差分析及单关节运动控制分析等,并通过dsPACE半物理仿真平台开展了主从式机械手的两关节仿真运动试验研究,为主从式机械手控制方法研究提供了依据。针对水下作业环境的任务要求,开展了主从式水下机械手的详细结构设计,分别设计了 6自由度的主手和从手同构机械手结构。其中,对于主从手分别从构型、外形尺寸、关节转角、关节结构及关键零件方面进行了设计分析,并利用叁维建模软件开展了主从式机械手虚拟建模研究。分析了从手的运动学及动力学。其中运动学通过经典D-H坐标系法求解,利用MATLAB Robot工具箱进行运动学建模和仿真研究,结果验证了正、逆运动学方程的正确性和机械手结构设计的合理性;动力学通过拉格朗日法进行近似建模,进一步证实了从手各关节驱动的合理性。最后通过分析机械手工作空间,对比主从映射方法和映射系数大小,对主从尺度映射关系进行了分析,为主从式控制方法研究提供了基础。通过ANSYS软件分析了主从手在运动过程中的受力及变形,并利用模态分析理论进行模态分析后,本文针对分析结果利用ANSYS中优化模块对比较薄弱的关节连臂进行了优化,之后又对整机模态分析,改善从手模态性能。针对机械手末端的重复定位精度,本文通过微分法求解,采用MATLAB编程计算,最后得出各误差因素如长度、角度、运动变量的影响大小,综合误差结果后来验证机械手的末端精度。针对主从式机械手的结构特点,开展了机械手运动控制系统研究,构建了主从式水下机械手的控制系统硬件结构、设计了控制系统工作流程等。同时,在机械手单关节驱动机构数学模型的基础上,针对水下作业任务和环境的多变性,设计了一种模糊PID控制器,通过仿真实验表明,该控制方法相比PID控制具有更好地环境适应性。最后,本文基于dsPACE半物理仿真平台,搭建主从式两关节结构,开展了机械手的主从跟随运动实验研究,验证了控制算法的正确性和结构设计的合理性。
苏丽颖[4]2000年在《虚拟环境下基于网络的机器人系统研究》文中指出主从式遥控机器人的目的就是通过主手去控制远处的从手，以完成作业任务。对于从手与环境物体有接触的作业任务，双向力反馈控制是实现灵活、有效的遥操作控制的一项关键技术。伴随着虚拟现实技术的飞速发展，虚拟环境双向力反馈主从遥控技术有着广阔的应用前景。而主从系统之间的数据传输需要一定的通道，传统的通讯媒介为电缆。显然用电缆有很大的局限性，尤其是对于太空这样的远距离作业场所。互联网是当今应用范围最广最便捷的信息传输渠道，造价也要低廉得多。本文即是将Internet的应用引入机器人研究的领域。在查阅了大量文献的基础上，本课题侧重基础研究，确立了主从系统的分阶段反馈控制的方案，对其建模及其控制问题进行了深入研究，并验证了其可行性。 在系统仿真的条件下，模拟了JS 5型机器人手臂的运动。以JS 5型机器人的性能指标作为虚拟主手的模型参数进行仿真时，作了适当的简化，建立了虚拟主手的运动学方程、逆运动学方程以及虚拟主手的方向余弦。 对工作于太空领域的机器人，为实现安全操作，本文就微重力空间中物体间的相互作用进行了研究。针对失重空间中物体接触的特点，应用弹性力学理论，建立了描述接触力以及运动状态的数学模型。并对重力空间下的虚拟从手进行了分析，从人与物体的接触机理出发，建立了虚拟从手与物体相互作用的数学模型。由于该模型考虑了物体的阻尼特性，从而提高了系统稳定性。 在可能存在延时的双向力反馈机器人系统中，为补偿延时，同时提高反馈力保真度，本文采用分权反馈与模糊控制理论的两阶段控制方案。这样可以兼顾不同阶段的速度与精度要求。在虚拟从手远离环境物体时，采用分权反馈控制，在虚拟从手与环境物体接触时就采用自学习的模糊控制。采用模糊控制理论设计的具有自学习功能的拟人力控制器，可将由虚拟从手模型得到的反馈力传给虚拟主手系统。 本文建立了基于互联网传输数据的主从遥操作仿真实验系统。在分块建立的虚拟主手系统、虚拟从手系统碰撞检测及控制的模型基础上，进行了网上实验，分析了实验结果，来验证本文提出的理论及所建模型的正确性。整套软件 河北工业大学硕士研究生学位论文是在基于 Windows 95操作系统的 Visual＋＋6刀平台上编制的。 本论文所作的研究工作验证了所提出的在虚拟环境下，基于网络传输数据的主从式遥控机器人这一设想的可行性，为Internet技术在机器人技术领域的应用提供了有价值的设计方法和理论依据。
高娜[5]2007年在《医疗机器人主操作臂控制系统的研究》文中指出医疗机器人的发展对传统医学和世界经济产生很大的影响,因而受到了世界各国的重视。而在主从遥操作中应用力反馈技术是目前医疗机器人的研究热点之一,力反馈主操作手和力感觉从操作手是主从力反馈控制系统的重要组成部分。本文针对河北省自然科学基金资助项目——《医疗机器人主操作臂动力学特性及其数字化操作技术研究》研究课题,以课题组开发的主操作手模型为核心,提出主从控制系统总体设计方案和控制策略,开发主从医疗机器人控制系统仿真平台,并构建单自由的主从控制实验系统。本文的工作主要集中在以下几个方面:1.对主从医疗机器人的发展趋势、国内外研究现状进行了概述,并介绍了其相关的关键技术与存在的问题。2.以课题组开发的医疗机器人主操作臂模型为核心,提出主从医疗机器人控制系统的总体设计思想和方案,确定了各控制单元的硬件组成并分析了其功能作用,确定控制软件的流程图及功能模块的划分。3.结合实际情况,确定控制系统的操作模式、控制策略及对PID控制器的设计。对所设计的主操作臂叁维模型进行了结构简化,通过D—H方法推导主操作臂的运动学方程,建立主操作臂的运动控制数学模型。4.在上述理论和算法的基础上,基于Microsoft Windows XP操作系统,以NI公司的Labview8.2.1为开发平台,设计控制系统界面,开发医疗机器人主从操作臂的控制系统仿真软件,并构建单自由的主从控制实验平台,验证上述方案的可行性。综上所述,本文提出了控制系统总体构架和理论依据,从控制策略、运动学建模与软件的编制等方面对进行了探讨和尝试,为后续工作的开展奠定了实际操作的基础,并探索出了一种行之有效的方法。
刘璐[6]2008年在《四自由度电液主—从遥操纵机器人双向伺服控制策略研究》文中提出本文结合国家自然科学基金资助项目(编号:50475011)以及教育部优秀青年教师基金项目“具有力觉反馈的远距离操纵工程机器人研究”,在对国内外临场感遥操纵机器人系统进行研究分析的基础上,针对已有的遥操纵系统双向伺服控制策略中,存在主、从手位置跟随性差,刚性负载对主手冲击力大等问题,在主-从遥操纵系统中采用了一种新型双向伺服控制策略。该控制策略是将主手操纵杆的操纵力乘以一定的系数后与从动机械手所受的阻力作差,经放大后去控制从动机械手的运动,并通过位置伺服去控制主手操纵杆跟随从动机械手运动,有利于操作者及时把握从动机械手的当前位置及干涉情况。本文在实验室二自由度力反馈操纵杆系统和四自由度液压工程机器人系统的基础上,构建了基于网络的四自由度电液主-从遥操纵机器人系统,分析了遥操纵系统网络通信时延,推导了电液伺服系统的数学模型,设计了主手和从手控制器,并用新型双向伺服控制策略进行了不同负载工况下的双向伺服遥操纵试验研究。试验结果表明,采用新型双向伺服控制策略的遥操纵机器人系统,主手操纵杆对从手有良好的位移跟随特性,操作者能够及时地把握从手的位移及干涉情况,并减小了在抓取刚性物体时反馈力对主手的冲击。试验验证了新型双向伺服控制策略是一种可行的、合理的主-从控制方法,为今后主-从遥操纵机器人系统走向实用化提供了一种参考方案。
邓乐[7]2007年在《电液力反馈操纵杆及其双向伺服控制技术研究》文中提出力反馈操纵装置是实现主-从遥操作系统人机交互的输入输出设备,被广泛应用于具有力觉临场感的遥操作系统。力反馈操纵装置的研制及力反馈主-从遥操作系统控制理论和控制策略的研究,对于提高人机交互的性能具有重要的理论和现实意义。本文结合国家自然科学基金项目“遥操纵6自由度液压并联机械手的力觉双向伺服控制”及教育部优秀青年教师资助计划项目“遥操纵工程机器人的新型力觉双向伺服控制”,围绕力反馈操纵装置及由其构成的主-从遥操作系统的控制技术进行了研究。为研究力反馈操纵杆,本文首先研究了主-从遥操作机器人系统的控制理论和双向控制策略,基于主、从机器人系统两侧运动和力信息的不同融合方式,揭示了四通道、叁通道、二通道双向控制策略之间的内在关系并进行了性能分析,为控制策略的选择和控制器的设计提供了参考。本文首次在国内研制了基于电液伺服控制的2DOF力反馈操纵杆。对该装置进行了运动学和动力学分析,对其操纵性能进行了分析计算;建立了2DOF电液伺服力反馈操纵杆的数学模型,并分析了其动态特性。为抑制阀控马达电液力伺服系统的干扰,本文采用外扰观测器进行了控制补偿,以提高其控制精度;并采用反馈线性化方法进行了非线性最优控制仿真研究。为检验新型电液伺服2DOF力反馈操纵杆的操作性能和不同控制策略的力觉临场感性能,本文采用两个2DOF力反馈操纵杆构成主-从机器人系统,分别在空载和弹性负载情况下,针对不同的控制策略进行了试验研究。试验结果表明,所研制的2DOF操纵杆具有响应速度快、控制刚度大、操纵方便、稳定等特点,有效地解决了现有电驱动力反馈操纵装置普遍存在的力反馈刚度小、力反馈效果不明显的问题。本文所研制的2DOF电液力反馈操纵杆可以应用于有毒危险场合、深海资源和矿山资源开发等多种领域,诸如核反应废料的处理、深海锰结核和煤炭资源的开挖,其未来具有较广泛的应用前景。
罗士军[8]2004年在《特种车辆救援机械手控制系统的研究》文中研究表明以主、从随动控制系统为核心的视觉临场感远距离操作车辆救援机械手系统，可以在非确定性环境或极限环境下（如空间、海底、强辐射、战场等）进行复杂的操纵作业。操作者的操纵质量与对“从环境”信息（如视觉）的真实获得能力以及控制系统的动静态特性密切相关。借助于远距离操作机械手系统提供的视觉反馈，可以使操作者真实地感觉到机械手与被救援车辆的动态相互作用，使操作者完成复杂精密的操纵作业。以主、从随动控制系统为核心的视觉临场感远距离操作机械手系统的工作原理是由处在安全处的操作者，通过主手操纵杆操作现场工作的从手，从手做出与主手动作相似，位置关系按一定比例放大的动作，实现随动。从手上安装有摄像头，视频系统将作业现场的图像传回到操作者面前的屏幕上，为操作者提供视觉反馈。这种具有视觉反馈提示的操作方式，既有效地避免了操作者与危险环境直接接触，又能保证从手完成预定要求的工作。该系统用于特种车辆的救援可以确保救援人员的安全，大大提高工作效率，节约宝贵的时间。本文在对国内外主从随动远距离操纵机械手系统进行了广泛调研的基础上，建成一个具有视觉反馈的远距离操作车辆救援机械手系统。该远距离操纵车辆救援机械手系统由主从机械手、电液控制子系统、伺服控制子系统、视觉反馈子系统组成。并且讨论了各子系统的组成及功能的实现方法。针对电液伺服控制远距离操纵机械手的特点，进行了液压系统特性的研究，系统深入地分析了电液伺服控制算法和控制策略，提出了位置控制的试验方案，根据控制策略周密地设计了控制系统硬件，以及相应的软件。并分别针对从手各自由度，通过主从位置控制试验来验证所设计的位置控制器的合理性及有效性；结合理论与试验研究，现将完成的研究工作及创新性成果总结如下：1．建立了一个基于电液伺服控制系统的具有视觉临场感的远距离操作车辆救援机械手系统，它具有远距离操作、精确位置控制、视觉反馈的功能。应用该系统可完成人难以接近或非确定环境下的操纵作业，达到对被救援车辆实施抢救的目的。
王涛[9]2006年在《主从遥控机械手从手端驱动控制研究》文中认为在空间装配,海洋工程建设和核设施维修等过程当中都大量用到焊接工艺。由于在上述环境中人类生存条件十分恶劣,焊接工作必须由机器人来完成。但就目前的机器人技术,人工智能和传感技术水平难以实现全自主的机器人焊接,因此仍需要有人的参与。于是提出了遥控机器人系统的概念,即人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监测和控制,从而完成焊接工作。为了适应在极端条件下的焊接工作,本论文设计了一套主/从遥控机械手。该机械手分为主手端系统和从手端控制系统两个独立部分,它们之间由电缆连接,分别由两台PC机作为控制核心。我的研究工作主要侧重于从手端机械手的驱动控制,包括从手端PC机的软件设计,从手关节转角的限位控制的硬件电路软件程序的编写以及从手运动学/逆运动学的解算等几个部分。最终实现从动机械手快速、平稳、安全的响应主手的运动轨迹完成远程遥控焊接工作。
王旭昊[10]2011年在《力觉临场感技术时延问题的神经网络解决算法研究》文中指出主从机械手之间的信号时延是遥控作业机器人系统在实际应用中经常面临的关键问题之一。对于力反馈遥操作系统而言，当从远端传至主端的力觉交互信号存在明显时延时，会影响力觉临场感功能的正常发挥，并可能会对远程任务的作业质量和系统的全局性能造成威胁，因此有必要在主端对力反馈信号的时延进行处理。由于遥操作系统远端被控对象的各种属性和参量往往是复杂多变而又未知的，在短时间内通过推演法完成其精确数学模型的建立会有较大难度有时甚至是无法实现的。鉴于目前不断成熟的神经网络技术已经能够在训练算法的引导下自主、快速而精确地逼近几乎任意的线性或非线性映射关系，本算法将沿着神经网络技术的方向研究解决主从端力觉反馈信号的时延问题。其主体思路首先是借助从机械手对远端被控对象受力面部分潜在受力点的位置坐标进行采样，再传输至主手端借助RBF神经网络优良的局部映射能力将这些采样数据以一定精度映射成完整的受力面形状特征信息，并结合主手端预测的从机械手末端执行器的当前位置，在存在信号时延的情况下对远端真实的被控对象在当前时刻是否处于力交互状态以及力交互状态下接触点的形变位移量进行预测。其次对遥操作系统进行力交互实验，通过参照被控对象动力学数学模型的结构特征来建立合理的BP神经网络结构并设计实验数据样本提取和处理算法，以成功完成对BP神经网络的训练。接受训练的BP神经网络能够自主逼近主从手相关状态变量与力反馈信息时延偏差量之间的映射关系，并在后期将预测的时延偏差量实时地补偿入有时延偏差的力反馈信号中，从而达到减弱或消除力觉反馈信息时延的目的。结合本算法的提出背景和自身特点，其主要可应用于主从式医疗手术机器人及其类似的力反馈遥操作系统中。在通过Matlab仿真实验平台对本算法进行验证的过程中，建立了遥操作系统被控对象的典型动力学模型用于模拟生成力觉反馈信息，并用软件延时的方法将时延加入力反馈信息中，最终的仿真结果发现该算法在预测遥操作机器人系统力反馈信息的时延偏差上能够达到良好的预测精度和效果，经过该法预测处理后的力反馈信息与无时延的力反馈信息拟合度较高。此外该算法不需要添加额外的硬件辅助系统，仅需通讯环节在原先的基础上增加对从机械手运动状态信息的传输，成本低廉可实施性强，同时原理简单计算量小，不会为微处理器引入新的计算时延，因此是一种较理想的处理力觉临场感技术中力觉信息时延问题的方法。
参考文献：
[1]. 基于网络的主从遥控机械手的主手设计[D]. 刘志钢. 吉林大学. 2006
[2]. 主从机械手夹持力感伺服系统控制研究[D]. 陈忠凯. 中国科学技术大学. 2015
[3]. 水下机械手结构设计及主从控制方法研究[D]. 张星星. 哈尔滨工程大学. 2016
[4]. 虚拟环境下基于网络的机器人系统研究[D]. 苏丽颖. 河北工业大学. 2000
[5]. 医疗机器人主操作臂控制系统的研究[D]. 高娜. 河北工业大学. 2007
[6]. 四自由度电液主—从遥操纵机器人双向伺服控制策略研究[D]. 刘璐. 吉林大学. 2008
[7]. 电液力反馈操纵杆及其双向伺服控制技术研究[D]. 邓乐. 吉林大学. 2007
[8]. 特种车辆救援机械手控制系统的研究[D]. 罗士军. 吉林大学. 2004
[9]. 主从遥控机械手从手端驱动控制研究[D]. 王涛. 吉林大学. 2006
[10]. 力觉临场感技术时延问题的神经网络解决算法研究[D]. 王旭昊. 河南工业大学. 2011
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