[學(xué)習(xí)]仿猿雙臂手大阻尼欠驅(qū)動連續(xù)移動控制與實驗

1、仿猿雙臂手大阻尼欠驅(qū)動連續(xù)移動控制與實驗,答辯人：黃民昌導(dǎo) 師：吳偉國 教授,,仿生仿人機(jī)器人及其智能運動控制研究室,,目 錄,Contents,仿生仿人機(jī)器人及其智能運動控制研究室,1,課題研究的背景和意義,2,國內(nèi)外的研究概況,3,主要研究內(nèi)容,4,課題研究方案,5,預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)和取得的研究成果,6,課題研究進(jìn)度安排與已完成的工作,7,已具備的條件和可能遇到的問題,靈長類仿生機(jī)器人,課題研究背景,靈長類動物能夠在樹枝間進(jìn)行靈活

2、快速的懸臂擺蕩移動,課題研究現(xiàn)狀——擺蕩機(jī)器人,Fukuda課題組：靈長類仿生領(lǐng)域最領(lǐng)先地位；,BMR機(jī)器人,Brachiator III,添加視覺伺服系統(tǒng)的Brachiator III,Gorilla Robot III,其他學(xué)者：國外：Meghdari(CEDRA機(jī)器人)，Rosa(Gibbot)國內(nèi)：哈工大吳偉國教授，張曉華教授，東北大學(xué)程紅太副教授,課題研究現(xiàn)狀——Acrobot,Acrobot因為它有欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合、非線

3、性，結(jié)構(gòu)簡單卻控制復(fù)雜的特點，常常成為各種非線性控制理論的“試驗田”,Acrobot的控制目標(biāo)為從下擺平衡位置，搖起到倒立位置平衡。國內(nèi)外的理論方法有：國外：反饋線性化理論和能量泵入法（Spong，被引量605），李雅普諾夫方法，強(qiáng)化學(xué)習(xí)法，LQR控制法等國內(nèi)：模糊控制，基于倒轉(zhuǎn)方法的搖起軌跡控制，遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法，滑膜變結(jié)構(gòu)控制等,課題研究現(xiàn)狀——大阻尼欠驅(qū)動機(jī)器人,連桿機(jī)器人：引進(jìn)大阻尼，利于提高機(jī)器人可控性，大阻尼

4、時能減弱欠驅(qū)動關(guān)節(jié)的運動耦合。,仿猿機(jī)器人：引進(jìn)大阻尼，能贏得更多的抓握時間，提高抓桿可靠性。,可抓握區(qū)域,國外：Arai（制動-放開-制動的運動方式） Oliver（重力與摩擦力補償） Olivares和Staffetti（嵌入最優(yōu)控制）國內(nèi)：陳煒（分階段關(guān)節(jié)空間位置控制） 任志全（模糊控制）,國內(nèi)：仿生仿人機(jī)器人及其智能運動控制研究室,課題研究現(xiàn)狀——小結(jié),

5、仿生擺蕩運動機(jī)器人還存在待解決的問題：所簡化的模型都是剛體模型，而且沒有考慮桿件的變形；連續(xù)擺蕩運動中，系統(tǒng)能量只能與擺蕩構(gòu)型同時調(diào)節(jié)，缺乏靈活性，對系統(tǒng)前饋要求嚴(yán)格；手爪的形狀都是彎勾狀或大開合的夾具。大大降低了抓握難度；大部分機(jī)器人只能抓握同等高度的桁架桿，抓桿策略的適用性和魯棒性比較差一些機(jī)器人依靠控制律無法自主從穩(wěn)定位置搖起，需要額外添加正確方向的擾動。Acrobot機(jī)器人的搖起方法不完全適用于仿生擺蕩機(jī)器人，勵振效

6、率低下。,研究內(nèi)容,仿猿雙臂機(jī)器人結(jié)構(gòu),運動圖解：分為勵振階段(圖a-d)、過渡階段(圖e-f)、抓握階段(圖g-k)、連續(xù)移動階段（圖l-q）,研究內(nèi)容,運動圖解：過渡階段(圖e-f)、抓握階段(圖g-k)、連續(xù)移動階段（圖l-q）,研究內(nèi)容,本課題先前研究中遺留的問題：理論研究： 機(jī)器人的勵振階段，能量泵入效率較低；在抓握階段，抓握時間過長，不能實現(xiàn)快速可靠的抓握；連續(xù)移動階段的控制方案，控制律沒有設(shè)計。實驗研究：實際機(jī)

7、器人設(shè)計中存在重量大，關(guān)節(jié)極限角速度過大；摩擦輪機(jī)構(gòu)采用電位計，精度低，沒有設(shè)計壓緊裝置；手爪內(nèi)表面的摩擦材料層的選用問題；,研究內(nèi)容,本課題要研究內(nèi)容：理論研究： 機(jī)器人的勵振階段和抓握階段控制缺陷的修正；連續(xù)移動階段的控制方案，控制律的設(shè)計；連續(xù)移動的控制仿真實驗；實驗研究：機(jī)器人本體的設(shè)計與改進(jìn)，實物實驗平臺的搭建；摩擦輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計與安裝；機(jī)器人的參數(shù)識別；大阻尼摩擦特性實驗研究，摩擦材料的選用與測試；機(jī)器

8、人連續(xù)移動抓桿控制實驗；,研究方案,1.基于能量和構(gòu)形的搖起方法若設(shè)欠驅(qū)動關(guān)節(jié)角度為q1，主動關(guān)節(jié)角度為q2，則控制策略可設(shè)計如下：,把欠驅(qū)動關(guān)節(jié)和驅(qū)動關(guān)節(jié)通過映射聯(lián)系起來，調(diào)整機(jī)器人構(gòu)型額外設(shè)計能量泵入控制律使得機(jī)器人能量隨時間提升,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,e過渡階段：總能量判斷：是否超過抓桿構(gòu)型的勢能，超過多少；構(gòu)型判斷：通過幾何運動學(xué)計算，欠驅(qū)動關(guān)節(jié)是否在可抓握區(qū)域內(nèi)。f-k抓握階段： 引入

9、大阻尼。采取“先瞄準(zhǔn)，后抓取”的方式，實時由欠驅(qū)動關(guān)節(jié)計算出各關(guān)節(jié)的期望值并進(jìn)行運動學(xué)控制。,e,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,連續(xù)移動階段：a-b：姿態(tài)調(diào)整階段：兩手爪都呈松握狀態(tài)；c：松桿階段：松開后手爪，腕關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)調(diào)整手爪方向；d-e：擺蕩階段：前手爪松握桁架桿，機(jī)器人下擺，同時肘關(guān)節(jié)給機(jī)器人調(diào)整抓握姿態(tài)并補充能量；f：抓握階段：進(jìn)入大阻尼狀態(tài)，準(zhǔn)備抓握下一個支撐桿。,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,連續(xù)

10、移動階段：d-e：擺蕩階段是目前幾乎所有擺蕩機(jī)器人的研究熱點。因為這個階段對肘關(guān)節(jié)的控制前饋非常嚴(yán)格。,松桿時勢能,松桿時構(gòu)型,抓桿時勢能,抓桿時構(gòu)型,,,智能方法進(jìn)行前饋規(guī)劃,機(jī)器人軌跡追蹤控制,進(jìn)入大阻尼抓握階段,研究方案,3.摩擦輪機(jī)構(gòu)設(shè)計,此外，對機(jī)器人的部件進(jìn)行有限元分析，對于設(shè)計不合理的地方，重設(shè)計或去除多余部分以減重。,研究方案,4.實際機(jī)器人試驗平臺的搭建,計算機(jī),運動控制卡,驅(qū)動器,編碼器,5V開關(guān)電源,18V開關(guān)電

11、源,機(jī)器人電機(jī),機(jī)器人走線布置于桿件內(nèi)安全防護(hù)裝置以仿真實驗結(jié)果為依據(jù)選取合適的摩擦層材料,研究方案,5.機(jī)器人參數(shù)識別與大阻尼的摩擦特性曲線的測定,,,,,計算機(jī)濾波處理,給定正弦輸入,機(jī)器人運動,傳感器采樣,研究方案,6.實際機(jī)器人連續(xù)移動抓桿實驗,,,預(yù)期目標(biāo),新設(shè)計的控制律能能滿足勵振階段的要求，搖起速度快，取得較好的仿真和實驗結(jié)果；設(shè)計的連續(xù)移動控制律能實現(xiàn)一次擺蕩連續(xù)抓桿；選擇合適的摩擦材料，通過實驗證明大阻尼抓桿的

12、可行性；仿真環(huán)境下，機(jī)器人實現(xiàn)從靜止開始到連續(xù)移動的動作；實際機(jī)器人能實現(xiàn)勵振與連續(xù)移動大阻尼抓握目標(biāo)桿；發(fā)表學(xué)術(shù)論文。,進(jìn)度安排,目前已完成工作,,為完成課題已具備的條件,實驗室具有PMAC控制卡和Maxon伺服電機(jī)，諧波減速器，實驗所用的桁架桿，雙臂手機(jī)器人本體部分零件和實驗室研制的手爪，研究經(jīng)費充足。,PMAC控制卡,諧波減速器,實驗室研制的手爪,雙臂桿件,研究過程中可能遇到的困難和問題,可能遇到的問題：手爪的大握力，減重