一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。

仿人机器人发展现状及其腰部机构研究

仿人机器人目前已成为机器人领域的研究热点问题之一。本文对仿人机器人目前的发展现状进行了综述,介绍了腰部机构在仿人机器人的作用以及具有不同结构特点的腰部机构。介绍了一种新型的两个自由度的并联差动驱动的腰部机构,并进行了运动学分析及PID控制下的响应特性分析。实验结果表明,该机构具有较快的响应速度和较好稳态精度。

仿人机器人系统的研究与实现

针对仿人机器人的结构和控制性能的要求,设计开发了机器人的关节控制器,并利用CAN总线把各个关节和力传感器及上位机连接在一起,构成了有效可靠的分布式控制系统;利用无线局域网技术,实现了语音、视频等多媒体信息的传输,构成了仿人机器人完整的控制系统。最后提出了一些设想以提高系统的性能。

类Lyapunov理论在类人形机器人任务空间内跟踪的应用

考虑了类人形机器人的各种不确定因素,提出了其手臂控制的新方法.基于类Lyapunov方法,设计出具有鲁棒性功能的任务空间控制器.该方法得到的控制器不但在有限确定时间内达到稳定跟踪,而且不需要雅可比矩阵求逆,对一定类型的外部干扰具有鲁棒性功能.最后通过数值仿真显示了所得结果的有效性及其应用方法.

基于CAN的仿人机器人控制器的设计与实现

本文针对仿人机器人的结构和控制性能的要求,设计并实现了基于CAN的关节控制器,并利用CAN把各个关节和力传感器及上位机连接在一起,构成了有效可靠的控制系统。主要包括仿人机器人的总体结构、控制器的硬件与软件的设计实现、控制系统的拓扑结构等,并提出了一些设想以提高系统的性能。

仿人机器人腰机构控制及分析实验平台研究

介绍了一种新型的仿人机器人两自由度腰部结构,给出了该机构两个伺服电机的PID控制策略,建立了基于PC机CAN卡的网络控制平台,该平台可实现腰部机构的实时控制及实时机构控制响应特性分析,该平台还具有扩展性强、成本低的特点。

一类非完整约束动力学系统的人工场导向控制

对于一类具有轮式移动机构的非完整动力学系统，本文通过建立人工场的方法来实现其位姿镇定、轨迹跟踪和路径跟踪等控制问题。人工场用于导向和控制方向角，而通过辅助的线速度控制以获取最佳收敛路径。控制器设计中同时兼顾动力学扰动及实际系统速度和输出力矩的饱和限制，所得控制器对于跟踪问题仅需知道期望位姿，而且结构简单、鲁棒性强、便于实现。

微小型爬壁机器人机构与控制方法的研究

近十年来人们对专用爬壁机器人领域的研究越来越感兴趣。如清洗高层建筑、石油气罐的喷漆喷砂、核工业设施的检测维护、援助消防和营救工作以及危险环境的远程监控等都急需一种自动化设备。爬壁机器人, 因其可以吸附墙壁表面和携带适当的传感器或工具，是这些工作的最佳候选。 本文中设计了一种反恐侦察爬壁机器人系统。在反恐侦察中，将微小型爬壁机器人上安装无线摄像头、麦克风等装置，代替侦察人员探测狭小空间内部的敌情，不但能提高侦察的准确度，还能增强安全性，减小人员伤亡。针对这一应用背景，国家863 计划提供资金开展了反恐侦察爬壁机器人样机系统的研制项目。 这种侦察爬壁机器人样机采用了两足式结构和欠驱动机构设计，使得机器人具有灵活的运动能力和多种运动方式。该机器人可以壁面爬行、穿越管道和跨越交叉面。两个有力的吸盘足依靠真空泵抽取吸盘内气体来实现吸附墙面。欠驱动机构减少了电机数量，使得机器人尺寸、重量和功耗都较小，但却对控制增加了挑战。机器人运动学方程被求出，这有助于我们理解其运动机理。 机器人上有无线遥控和无线视频传输系统分别负责接收指令和采集图像信息。针对该爬壁机器人在体积，重量，功耗和速度上的要求，本文提出了以TI公司的TMS320F2812DSP 为控制芯片的嵌入式控制系统的设计方案, 控制器的主要功能是实现多电机实时控制，搭建高效可靠的人机通讯和机器人运动规划。层次较高的操作指令采用有限状态机理论实现跟踪机器人运动状态。 电机的伺服控制，是整个控制系统设计中最基本、最重要的部分。对此本文提出了梯形速度规划和PID 控制策略，经过参数优化，基本达到了控制精度的要求。 最后，通过实验验证了机器人高效的能力，表明侦察爬壁机器人样机系统具备了执行反恐侦察的基本功能。

仿尺蠖微小型壁面移动机器人运动规划与控制研究

本论文的研究内容是围绕国家“863”计划支持项目“基于探测机器人技术的反恐立体侦察监控示范系统”（编号：2004AA420110）和“微小型反恐侦察移动平台和探测关键技术研究”（编号：2005AA420230）展开的。研究工作以微小型壁面移动机器人的研制为实际背景，主要包括以下五个方面的内容：⑴ 机器人的运动学、动力学分析和控制系统设计；⑵ 机器人的运动步态分析；⑶ 机器人在狭窄空间中的运动规划方法研究，以及在壁面过渡时的运动规划方法研究；⑷ 欠平滑壁面上机器人的自主行为控制和针对动力学特性的重力补偿控制研究；⑸ 论文所提出方法的仿真分析和实验研究。 第一，介绍了微小型壁面移动机器人的欠驱动机构设计和三种运动模式；分别基于D-H坐标变换和拉格朗日方法，对机器人的运动学和动力学特性进行了分析，为接下来的步态分析、运动规划和控制研究奠定了基础；开发了微小型壁面移动机器人的嵌入式DSP控制系统，为论文中的仿真和实验研究提供了物理平台。 第二，对尺蠖的生物特征和运动机制进行了简要介绍，并总结了尺蠖运动的特点；通过理论计算和实验测试，分析了微小型壁面移动机器人的步行稳定性；在机构设计和运动学建模基础上，全面地分析了微小型壁面移动机器人的各种基本步态、派生步态和壁面过渡步态，同时引入用以描述步态之间转换关系的步态算子，为后续的运动规划和控制方法研究做好了理论铺垫。 第三，分析了微小型壁面移动机器人运动规划问题的特殊性；考虑到机器人运动时真空吸附的耗时问题和狭窄空间中步态选择的合理性，通过对局部动态窗口法进行改进，引入可达空间动态局部栅格和遍历搜索算法，提出了基于可行步态的微小型壁面移动机器人在狭窄空间中的运动规划方法；根据壁面过渡的步态分析结果，并考虑到吸盘足的真空吸附载荷和机器人的动力学特性，提出了基于步态参数规划与最小能耗轨迹优化相结合的微小型壁面移动机器人在壁面过渡时的运动规划方法。通过仿真分析和实验研究，验证了上述运动规划方法的合理性和有效性。 第四，针对欠平滑壁面上机器人吸盘足吸附失败时的自主行为控制问题，根据步态分析结果，建立了吸盘足的有限状态机模型，并按“就近”原则设定状态转移优先级，提出了基于有序试探的微小型壁面移动机器人着地点选择控制方法；针对机器人的动力学特性，特别是重力矩变化对机器人运动控制的影响，在采用模糊自适应PID控制的基础上，根据轨迹优化结果，引入前馈重力补偿环节，提出了基于重力补偿的微小型壁面移动机器人模糊自适应PID控制方法。通过仿真分析和实验研究，验证了所提方法在改善系统控制性能，提高机器人自主能力方面的可行性和有效性。 第五，在武警北京特警学院的反劫机训练场，对微小型壁面移动机器人的运动控制能力和越障能力进行了现场实验测试，验证了论文所提出运动规划和控制方法在实际应用中的有效性。

危险作业机器人控制系统的研究

随着科学技术的发展，移动机器人被寄予越来越高的期望，要求其具有更高的机动性、更强的环境适应及感知能力和快速反应能力。因此，研究高效的移动机构和高性能控制系统成为排爆、消防等各种地面遥操作危险作业移动机器人的共同课题。 本论文以中国科学院沈阳自动化研究所自行研发的“灵豹”反恐防暴机器人和子母消防搜救机器人(在研)为平台，对危险作业机器人的控制系统进行了较为系统的研究。 “灵豹”机器人采用轮-腿-履带复合移动机构。其轮式移动采用三轮机构，两前主动轮单独驱动，差速完成转向，后轮为万向从动脚轮，配合前轮转向，车体转向半径可实现从零到无限大。其控制系统以嵌入式控制器为核心，采用模块化方法设计构建，保证了系统体积紧凑、实时性好和可靠性高等的应用要求。 作为智能控制技术的一种，模糊控制可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制。用基于PC的可编程控制器实现模糊控制，关键在于前期处理和软件编程，因为必须充分考虑执行速度。针对实际的非完整约束三轮式移动机器人运动方向可控性差，PID控制器参数难以实现全局整定的问题，利用模糊控制器实现运动轨迹控制。 单纯用电子罗盘测量航向角作为模糊控制器输入，环境适应性较差，本文提出一种结合脚轮偏转角和罗盘航向角计算机器人角速度和航向角的算法。试验结果表明，设计的控制器能对机器人进行有效航向跟踪，能迅速缩小航向偏差，机器人转向灵活可控，且没有大的航向偏转角速度，提高了系统适应性和运动稳定性。 子母消防搜救机器人主要用于火场侦查搜救，分为子机器人和母机器人，既可单独执行任务，又可协作搜救。机器人体积小，内部空间极其有限，要求控制系统有较高的集成度，还要能耐高温、通讯可靠。火场环境一般比较复杂，尤其是在地下建筑，通讯不畅将严重影响消防搜救机器人深入到火场深处侦查。为充分保障通讯链路畅通，设计了子母机控制系统，母机和子机可互为通讯中继，有效减少通讯死角，扩大搜索范围。系统采用基于多载波调制技术的影音传输系统作为图像及语音信号的主要通信链路，采用数字电台传输指令数据。设计的通讯系统实时性好，抗干扰能力和绕射能力强。

SARV光纤收放装置的控制系统设计与实现

根据小型自治遥控水下机器人SARV的运动特性,研制了光纤微缆收放的控制系统。设计使用了嵌入式QNX软件开发技术,系统稳定可靠。采用系统辨识的方法,获得被控对象的等效数学模型。采用单神经元自适应PID控制器对控制参数进行在线自调节,实现了SARV在水中运动时光纤收放的恒张力控制,满足光纤收放装置的设计要求。

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。

浮力调节系统在作业型AUV上的应用研究

本文根据我国正在研制开发的作业型水下机器人的特性及其对浮力调节和姿态控制的要求,应用PID控制策略,设计了一个浮力调节系统,仿真结果证明该设计方案可以达到预期的目标。(100039北京市中国科学院研究生院)常海龙

一类载人潜水器的改进LQG控制研究

针对一类载人潜水器(MSV,MannedSubmersibleVehicle)在动力定位中多自由度之间存在的强耦合、非线性,以及系统参数的时变特性,文章采用带遗忘因子的递推最小二乘法和平方根法对系统参数进行辨识,然后在状态空间进行多输入多输出(MIMO)线性系统的最优控制研究。仿真结果表明,该两种改进LQG控制方法对于外界扰动以及系统的参数时变具有良好的控制效果,控制精度得到提高,为实际载人潜水器控制系统的多自由度动力定位控制提供了坚实的依据。

一种新的仿人控制方法研究

以模拟人对混水阀的调节过程为基础,提出一种新的仿人控制算法.该控制算法模拟人在控制时的粗调和微调,并使控制量逐步逼近最终稳定控制量的过程.算法中的参数具有明确的物理意义,可根据不同的控制指标方便地调节,并且能够获得足够的稳态误差.采用本文控制算法,不需要有精确的被控对象模型,即使在有较大干扰的情况下,仍可以获得较好的控制性能.