仿猿双臂手大阻尼欠驱动连续移动控制与实验.ppt

仿猿双臂手大阻尼欠驱动连续移动控制与实验,答辩人：黄民昌 导 师：吴伟国 教授,仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室,目 录,Contents,仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室,1,课题研究的背景和意义,2,国内外的研究概况,3,主要研究内容,4,课题研究方案,5,预期达到的目标和取得的研究成果,6,课题研究进度安排与已完成的工作,7,已具备的条件和可能遇到的问题,灵长类仿生机器人,课题研究背景,灵长类动物能够在树枝间进行灵活快速的悬臂摆荡移动,课题研究现状摆荡机器人,Fukuda课题组：灵长类仿生领域最领先地位；,BMR机器人,Brachiator III,添加视觉伺服系统 的Brachiator III,Gorilla Robot III,其他学者： 国外：Meghdari(CEDRA机器人)，Rosa(Gibbot) 国内：哈工大吴伟国教授，张晓华教授，东北大学程红太副教授,课题研究现状Acrobot,Acrobot因为它有欠驱动、强耦合、非线性，结构简单却控制复杂的特点，常常成为各种非线性控制理论的“试验田”,Acrobot的控制目标为从下摆平衡位置，摇起到倒立位置平衡。 国内外的理论方法有： 国外：反馈线性化理论和能量泵入法（Spong，被引量605），李雅普诺夫方法，强化学习法，LQR控制法等 国内：模糊控制，基于倒转方法的摇起轨迹控制，遗传算法，粒子群优化算法，滑膜变结构控制等,课题研究现状大阻尼欠驱动机器人,连杆机器人：引进大阻尼，利于提高机器人可控性，大阻尼时能减弱欠驱动关节的运动耦合。,仿猿机器人：引进大阻尼，能赢得更多的抓握时间，提高抓杆可靠性。,可抓握区域,国外：Arai（制动-放开-制动的运动方式） Oliver（重力与摩擦力补偿） Olivares和Staffetti（嵌入最优控制） 国内：陈炜（分阶段关节空间位置控制） 任志全（模糊控制）,国内：仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室,课题研究现状小结,仿生摆荡运动机器人还存在待解决的问题： 所简化的模型都是刚体模型，而且没有考虑杆件的变形； 连续摆荡运动中，系统能量只能与摆荡构型同时调节，缺乏灵活性，对系统前馈要求严格； 手爪的形状都是弯勾状或大开合的夹具。大大降低了抓握难度； 大部分机器人只能抓握同等高度的桁架杆，抓杆策略的适用性和鲁棒性比较差 一些机器人依靠控制律无法自主从稳定位置摇起，需要额外添加正确方向的扰动。 Acrobot机器人的摇起方法不完全适用于仿生摆荡机器人，励振效率低下。,研究内容,仿猿双臂机器人结构,运动图解：分为励振阶段(图a-d)、过渡阶段(图e-f)、抓握阶段(图g-k)、连续移动阶段（图l-q）,研究内容,运动图解：过渡阶段(图e-f)、抓握阶段(图g-k)、连续移动阶段（图l-q）,研究内容,本课题先前研究中遗留的问题： 理论研究： 机器人的励振阶段，能量泵入效率较低； 在抓握阶段，抓握时间过长，不能实现快速可靠的抓握； 连续移动阶段的控制方案，控制律没有设计。 实验研究： 实际机器人设计中存在重量大，关节极限角速度过大； 摩擦轮机构采用电位计，精度低，没有设计压紧装置； 手爪内表面的摩擦材料层的选用问题；,研究内容,本课题要研究内容： 理论研究： 机器人的励振阶段和抓握阶段控制缺陷的修正； 连续移动阶段的控制方案，控制律的设计； 连续移动的控制仿真实验； 实验研究： 机器人本体的设计与改进，实物实验平台的搭建； 摩擦轮机构的设计与安装； 机器人的参数识别； 大阻尼摩擦特性实验研究，摩擦材料的选用与测试； 机器人连续移动抓杆控制实验；,研究方案,1.基于能量和构形的摇起方法 若设欠驱动关节角度为q1，主动关节角度为q2，则控制策略可设计如下：,把欠驱动关节和驱动关节通过映射联系起来，调整机器人构型 额外设计能量泵入控制律使得机器人能量随时间提升,研究方案,2.连续移动抓杆的控制方案,e过渡阶段： 总能量判断：是否超过抓杆构型的势能，超过多少； 构型判断：通过几何运动学计算，欠驱动关节是否在可抓握区域内。 f-k抓握阶段： 引入大阻尼。采取“先瞄准，后抓取”的方式，实时由欠驱动关节计算出各关节的期望值并进行运动学控制。,e,研究方案,2.连续移动抓杆的控制方案,连续移动阶段： a-b：姿态调整阶段：两手爪都呈松握状态； c：松杆阶段：松开后手爪，腕关节，肘关节调整手爪方向； d-e：摆荡阶段：前手爪松握桁架杆，机器人下摆，同时肘关节给机器人调整抓握姿态并补充能量； f：抓握阶段：进入大阻尼状态，准备抓握下一个支撑杆。,研究方案,2.连续移动抓杆的控制方案,连续移动阶段： d-e：摆荡阶段是目前几乎所有摆荡机器人的研究热点。因为这个阶段对肘关节的控制前馈非常严格。,松杆时势能,松杆时构型,抓杆时势能,抓杆时构型,智能方法进行前馈规划,机器人轨迹追踪控制,进入大阻尼抓握阶段,研究方案,3.摩擦轮机构设计,此外，对机器人的部件进行有限元分析，对于设计不合理的地方，重设计或去除多余部分以减重。,研究方案,4.实际机器人试验平台的搭建,计算机,运动控制卡,驱动器,编码器,5V开关电源,18V开关电源,机器人电机,机器人走线布置于杆件内 安全防护装置 以仿真实验结果为依据选取合适的摩擦层材料,研究方案,5.机器人参数识别与大阻尼的摩擦特性曲线的测定,计算机滤波处理,给定正弦输入,机器人运动,传感器采样,研究方案,6.实际机器人连续移动抓杆实验,预期目标,新设计的控制律能能满足励振阶段的要求，摇起速度快，取得较好的仿真和实验结果； 设计的连续移动控制律能实现一次摆荡连续抓杆； 选择合适的摩擦材料，通过实验证明大阻尼抓杆的可行性； 仿真环境下，机器人实现从静止开始到连续移动的动作； 实际机器人能实现励振与连续移动大阻尼抓握目标杆； 发表学术论文。,进度安排,目前已完成工作,为完成课题已具备的条件,实验室具有PMAC控制卡和Maxon伺服电机，谐波减速器，实验所用的桁架杆，双臂手机器人本体部分零件和实验室研制的手爪，研究经费充足。,PMAC控制卡,谐波减速器,实验室研制的手爪,双臂杆件,研究过程中可能遇到的困难和问题,可能遇到的问题： 手爪的大握力，减重与快速开合在设计上难以兼顾，需要找到一个符合条件的平衡点； 实际机器人的物理参数摄动的问题； 杆件受力变形可能导致抓握时手爪卡死； 对于不同位置的目标桁架杆，如何实现连续抓握。 拟采取的措施： 可以在设计上多采用铝合金，优化控制律降低硬件要求； 运用采样卡尔曼滤波的方法对机器人进行参数识别； 加入力传感器和力反馈控制，抖动脱离卡死区域； 通过大阻尼弱化对前馈的要求，对前馈库进行插值泛化。,请各位老师批评指正！,谢谢,