王涛[1]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。
张中[2]2017年在《一种主从遥控机械手的设计与力学分析》文中进行了进一步梳理第一款主从遥控机械手自20世纪40年代在美国问世以来,由于其行业应用的广泛性,无可替代性和其产生的巨大的经济价值,在军事、工业以及社会生产生活中起着重要的作用。结合国内外主从遥控机械手的研究现状以及所需工况条件,本文提出设计一种六自由度伸缩式、手动控制,电动增程主从遥控机械手。从力学角度对机械手的关键部位做进一步的力学分析,最终得到一款设计优良,结构可靠,性能优异的主从遥控机械手。并针对人力操作下,提出了轻松省力使用这款主从式机械手的轨迹规划方法。首先,针对机械手工作设计要求,按照功能原理分析法依次确定机械手的分功能及传动方案。然后将主从式机械手归类分为主从手的肘部、伸缩臂和手部叁大部分,完成了肘部、伸缩臂和手部的具体传动设计。根据传动设计,相对应完成了其肘部、伸缩臂和手部的结构设计。从而完成设计一种初步满足要求的主从式机械手。其次,在完成结构设计之后,解决主从机械手关键部件力学分析中存在的难点。首先,将肘部的俯仰运动齿轮轴系作为分析对象,建立齿轮轴系扭振模型,求出其固有频率,避开临界转速,并提出减小齿轮轴系关节角误差的方法。其次,对扇形齿的齿面应力求解,通过Adams建立轴系模型,得到扇形齿的工况扭矩,作为有限元分析的载荷。通过瞬态动力学分析找出齿轮啮合过程中的最大应力位置,并对此位置通过自适应网格细化方法得到该位置的最大应力,发现该点应力无法收敛,通过应力线性化得到应力奇异点的名义应力值。最后应用有限元子模型法对手爪强度进行分析,对薄弱的结构进行结构进行尺寸参数优化,增加手爪的强度。最后,在完成关键部位的设计和关键部位力学分析之后,为减轻操作者的劳动强度,对主从式机械手进行了基于能量最优的轨迹力学分析。首先通过建立机器人D-H坐标系,以叁次样条曲线为关节函数,推导主从式机械手的关节角与动能关系式,并通过matlab求解计算,得到在叁次样条关节函数的最优运动时序,提出了一种能够轻松省力使用这款主从式机械手的轨迹规划,在最优运动轨迹下以减少人手模式下的能量输入,达到增加主从机械手灵敏度的目的。通过设计和力学分析,得到了一款结构可靠,操作性能优异的主从遥控机械手。
刘志钢[3]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。
高娜[4]2007年在《医疗机器人主操作臂控制系统的研究》文中研究表明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。
丛建华[5]2014年在《基于位置—速度控制的电液伺服遥操作机器人力反馈研究》文中研究表明遥操作机器人系统可以在太空、深海、强辐射等对人类有害或人类无法达到的极限环境下完成复杂的遥操作作业任务，这在很大程度上拓展了人类的活动领域，在一定程度上促进了社会的发展。具有力觉临场感的遥操作机器人系统由于能够使操作者更好的感受到从端机械手与环境的相互作用情况，所以能够更好的完成遥操作任务。本文结合国家自然科学基金项目“遥操纵多自由度电液伺服机械手力反馈控制策略”（项目编号：50975118），来研究提高主-从遥操纵系统力觉临场感操作性能的方法。本文以吉林大学工程机器人研究室自行研制的两个2-DOF通用型遥操作机器人力反馈操纵杆组成的同构式遥操作机器人系统为研究对象，建立了机械手电液伺服系统的数学模型，并且针对从手速度对主手位移的跟踪特性采用模糊PID控制器，该控制器把模糊推理的思想与PID控制相结合，保证了电液伺服系统的稳定性和主从手之间的跟踪特性。最后提出了基于位置-速度控制的双向伺服力反馈控制算法，并以手控器电液伺服系统的数学模型为基础，建立了基于位置-速度控制的遥操作机器人仿真模型，分别对从端机械手在空载、弹性负载和刚性负载情况下进行了仿真分析，结果表明从手的速度可以很好的跟踪主手的位移，而且基于位置-速度控制的双向伺服力反馈控制算法，可以使操作者在操作过程中感受到与从端环境作用力很接近的反馈力，具有良好的力反馈效果，为以后进一步研究遥操作系统控制技术提供了依据。
陈铁华[6]2010年在《六自由度力反馈双向伺服控制策略研究》文中研究指明具有力觉临场感的主-从双向伺服控制技术可为操作者提供身临其境的操作感受,在抢险、军事、深海及宇宙作业,超大型、微/纳米机械的操纵,以及微创医疗等众多领域中具有重要的用途。力反馈手控器是双向伺服控制系统中的关键设备,通过操作手控器可以对远端从机械手的工作进行控制,并获得从机械手与环境的相互作用力信息,实现对远端从机器人的控制,帮助操作者有效完成远程操作任务。不同的控制策略会使操作者获得不同的操作感受。因此,研制具有力觉反馈的手控器,和研究力反馈双向伺服控制策略,在主-从操作领域里有非常重要的理论与现实意义。现有的力觉反馈手控器中普遍存在通用性差、刚性不足以及能够提供的力感觉不够充分等问题。在力反馈控制方法方面,存在“主-从随动性差”、“在从机械手抓取刚性物体时主机械手上所存在的反馈力冲击过大”的问题。为克服现有力反馈手控器所存在的不足,解决现有控制方法所存在的弊端,本文结合国家自然科学基金项目“遥操纵6自由度液压并联机器人的力觉双向伺服控制”,基于Stewart并联机构在国内首次设计了高刚性、六自由度力反馈手控器,并提出直驱式位差反馈型双向伺服控制策略,分析了主-从操作系统的稳定性和透明性;基于自主研制的手控器建立了国内第一个具有六自由度力反馈的同构式主-从操作试验系统,进行了从机械手自由运动和约束运动主-从操作试验。结果表明,自主研制的六自由度力反馈手控器具有良好的机械性能和力学特性;采用直驱式位差反馈型双向伺服控制策略,改善了现有双向伺服控制方法中普遍存在的“主-从随动性差”及“在从机械手抓取刚性物体时主机械手上所存在的反馈力冲击过大”等问题,在实现对从机械手控制的同时,获得较为理想的力觉临场感效果。
刘璐[7]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》文中进行了进一步梳理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。
王旭昊[8]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》文中研究表明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。
姚立卿[9]2002年在《基于Internet的机器人遥操作系统研究》文中研究说明基于Internet的主从式遥操作机器人系统是利用网络作为通讯手段建立系统的遥操作性，拓展人类在太空、深海、核环境等危险情况下的作业能力。伴随着虚拟现实技术的飞速发展，该系统要达到的理想状态是使操作者获得无延时的视觉和触觉临场感。本文即针对存在网络传输时延情况下的力觉临场感问题进行了研究。为了克服时延的影响，本文将虚拟环境引入遥操作系统中，并针对传输时延的统计规律，提出了若干解决方案设想。 针对工作于重力空间的从机械手，从人手与物体的接触机理出发，建立了用刚度、阻尼和摩擦描述的虚拟从手与环境物体的交互作用力数学模型。模型考虑了物体的阻尼特性，提高了系统的稳定性。 从机器人力控制的特点出发，应用智能控制理论，设计出了集模糊控制和神经网络于一身的模糊神经网络力控制器。该控制器具有自学习功能，提高了力反应遥操作系统力反馈的保真度。随后进行的仿真实验验证了该控制器的良好性能。 在校园网上进行了大量的各类数据传输时延统计实验，并参照广域网数据对时延数据进行了统计分析，从中得出了一些统计规律和特征。这些统计规律和特征可协助今后仿真平台的建立，提高模型的真实程度，为真正的网络遥操作系统的建立提供依据。 利用Visual C++6.0开发系统和OpenGL叁维图形库编制了基于Internet的仿真实验平台，实现了基于虚拟环境的遥操作控制系统。实验初期采用仿真方法，有利于实验的重复进行，提高了控制的灵活性。 本文所作的理论分析工作以及仿真实验，验证了基于互联网实现机器人遥操作临场感这一思路的可行性，为后期的实验和下—步真正的网络遥操作的实现打下了基础。
席建峰[10]2004年在《大时延遥操作机器人接触作业的双边控制技术研究》文中提出遥操作机器人系统的应用和研究是目前机器人学研究领域的一个重要课题。从早期用于核试验场所,到地面平台对太空设备的控制,再到Internet网络遥操作系统的产生,应用领域不断扩大。随着时延和环境的复杂性日益加深,对控制系统的设计带来了新的更多的挑战。 本文定位于基础的算法研究,探讨了时延和环境对控制系统稳定性及操作性能等方面的影响,提出了一些控制结构和规则。主要针对固定时延的情况,研究遥操作系统的稳定性和透明性等问题。 稳定性是控制系统设计的基本要求。目前在分析遥操作系统的稳定性上有多种不同方法,我们试图从耗散理论、能量变化、绝对稳定性和李雅普诺夫稳定性等多个角度讨论稳定性的分析方法。通过对这几种稳定性判定方法的研究,针对不同的遥操作系统和环境,找到一种恰当的稳定性分析方法,从而能够在保证稳定性的前提下提高系统的操作性能。 通过机械系统和电网络系统的等效性,我们对系统建模,把遥操作的机械系统转变成电网络系统进行讨论。结合阻抗分析方法,提出了可定量评价系统操作性能的指标函数,使阻抗成为稳定性和透明性之间的纽带。这样不仅使电网络中关于稳定性的理论可以应用到遥操作系统设计中,而且对系统的操作性能有了一定的评价标准,使设计控制系统的同时兼顾稳定性和透明性成为可能。 针对环境的不确定性,我们提出基于阻抗在线辨识的控制结构,并对位置直接反馈的PID双边控制算法进行实验分析。我们在自行研制的实验平台上进行仿真,结果证明了分析的正确性。
参考文献：
[1]. 主从遥控机械手从手端驱动控制研究[D]. 王涛. 吉林大学. 2006
[2]. 一种主从遥控机械手的设计与力学分析[D]. 张中. 东华大学. 2017
[3]. 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
[4]. 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
[5]. 基于位置—速度控制的电液伺服遥操作机器人力反馈研究[D]. 丛建华. 吉林大学. 2014
[6]. 六自由度力反馈双向伺服控制策略研究[D]. 陈铁华. 吉林大学. 2010
[7]. 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
[8]. 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
[9]. 基于Internet的机器人遥操作系统研究[D]. 姚立卿. 河北工业大学. 2002
[10]. 大时延遥操作机器人接触作业的双边控制技术研究[D]. 席建峰. 国防科学技术大学. 2004