Research on Compliant Control of Redundant Robot with Flexible Joints

目前，协作型机器人正处于快速发展阶段，在人机协作场景中，机器人具备与环境柔顺接触的能力十分必要。柔顺控制是解决机器人与环境接触问题的重要方法，而协作型机器人复杂的运动特性以及人机协作场景的不确定性给控制器的设计带来了极大挑战，本文针对协作型机器人的柔顺控制方法展开研究，主要研究内容如下：首先针对协作型机器人的动力学建模与模型参数辨识方法展开研究。建立了刚、柔耦合动力学模型。为获得精确的模型参数，本文针对协作型机器人复杂的动态特性，从以下方面展开刚、柔耦合动力学模型参数辨识方法的研究：针对柔性关节参数的辨识问题，提出了基于关节谐振与抗谐振频率特征的频域辨识方法，该方法有针对性地利用柔性关节的谐振与抗谐振的频率与幅值信息建立参数计算模型，减少了测量噪声与误差对辨识结果的影响；针对由机器人连杆组成的刚体动力学参数辨识问题，提出了基于静、动态激励的分步辨识方法，改善统一辨识时多关节耦合干扰问题和逐一辨识时误差逐级传递问题。柔性关节内部具有复杂的动态特性，影响整体控制性能以及鲁棒性，针对该问题，本文提出一种高、低频混合力矩控制方法作为底层控制方法，其主要作用是消除柔性关节内部动态特性对系统的影响，如柔性抖振，非线性摩擦力以及负载变化引起的模型摄动等。该方法以扰动观测器的基本结构为基础，通过Q滤波器将闭环系统的频率特性分离，并分别针对不同频段的频率响应特性设计控制器：在低频段，系统的动态特性接近名义模型，因此，以柔性关节的名义模型作为被控对象，设计控制器并将闭环系统构造为标准的二阶系统，将低频控制器的设计问题被转变为标准二阶系统的设计问题；在系统的高频段，测量噪声、模型摄动以及摩擦力扰动对系统鲁棒性具有较大影响，针对该问题，提出了基于混合灵敏度求解方法设计高频控制器。最后本文推导了该方法的全局稳定性条件。进一步针对冗余机器人在笛卡尔空间的阻抗控制问题展开研究。研究分两部分进行，第一部分为机器人末端在笛卡尔空间阻抗控制问题的研究，第二部分为机器人冗余自由度阻抗控制问题的研究。第一部分根据目标阻抗关系推导了笛卡尔空间阻抗控制律，控制律的状态变量中含有欧拉角，针对欧拉角在连续运动中的突变问题，本文将欧拉角的解划分为两种状态，并设计状态转换条件使欧拉角的解在连续运动中始终保持连续，从而增强了阻抗控制的鲁棒性。第二部分针对机器人冗余自由度的阻抗控制问题展开研究，研究对象限定为具有S-R-S构形的7自由度机器人，首先根据S-R-S构形的空间几何特征对冗余自由度的位置与接触力进行参数化处理，并针对冗余自由度的柔顺控制问题设计了冗余阻抗控制方法，实现冗余自由度位置与力的统一控制。进一步，在该冗余阻抗控制方法的基础上提出了运动优化方法，该方法的主要优势是降低了搜索空间的维度，简化了运算。最后，本文对上述方法进行了综合实验研究。搭建了7自由度协作型机器人原理样机实验平台以及单关节实验平台，实验结果验证了所提方法的可行性以及有效性

Compliance Control Based on the Fuzzy Inference and Passivity Theory for Upper Limb Rehabilitation Robot

针对具有柔性关节的上肢康复机器人,提出了一种基于模糊推理与无源性理论的柔顺控制方法。首先对康复机器人的动力学模型进行分析,在该模型上分别实现了基于关节空间和笛卡尔空间的柔顺控制方法。建立接触力矩观测器实时估计患者与上肢康复机器人的接触力,再运用模糊推理算法对阻抗控制的刚度进行实时调整以保证患者得到适宜的接触力。实验结果表明,该方法具有较好的稳定性和鲁棒性,同时能够通过改变控制器的刚度系数调节患者与机器人间的接触力,保证了使用者的安全性与舒适性

Load Estimation of Manipulator Based on the Optimal Sequence of Exciting Poses

重力补偿方法广泛地应用于由连杆与旋转机构组成的机器人系统中，更换机器人末端执行器造成了补偿模型的不确定性．针对该问题，提出了一种利用机器人关节力矩与位置信息的负载参数离线辨识方法．基于机器人静力学方法提出了2种负载参数的计算模型，并通过采集机器人在多个静态位姿条件下的关节力矩与位置信息获得负载参数的最小二乘解．进一步，本文针对机器人的辨识位姿选取问题展开研究，提出了同时保证辨识精度与辨识简便性的多目标优化问题，使用多目标粒子群优化方法获得最优辨识位姿．根据辨识后的负载参数，给出了机械臂各关节负载的重力补偿量计算方法．实验结果表明所提方法具有较高的辨识精度，负载质量的辨识误差最小值达到0.007 06 kg，最大值达到0.151 kg，负载质心位置的辨识误差最小值达到0.025 4 m，最大值达到0.122 m，验证了上述方法的可行性与有效性．</p

Flexible-joint Impedance Control Based on Backstepping Method

In this paper, an impedance control method based on backstepping approach is proposed aiming at the problems of compliance control when the flexible joint contacts with the environment. The stability of the controller is proved based on Lyapunov stability theory. The controller design combines stability of a Lyapunov function and the desired dynamic of impedance model. The experiment results show the effectiveness and feasibility of the proposed control approach