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3研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计课题背景研究现状仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室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代替人类在高高危条件危条件下工作高空作业强耦合、非线性、强耦合、非线性、欠驱动欠驱动系统的控制欠驱动系统4研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计课题背景研究现状仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室课题研究现状——摆荡机器人Fukuda课题组：灵长类仿生领域最最领先先地位；BMR机器人Brachiator III添加视觉伺服系统的Brachiator IIIGorilla Robot III其他学者其他学者：Ø国外：Meghdari(CEDRA机器人)，Rosa(Gibbot)Ø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5研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计课题背景研究现状仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室课题研究现状——Acrobot Acrobot因为它有欠欠驱动、、强强耦合、非耦合、非线性性，，结构构简单却控却控制复制复杂的特点，常常成为各种非线性控制理论的“试验田田”简化相似• Acrobot的控制目标为从下摆平衡位置，摇起到倒立位置平衡。

国内外的理国内外的理论方法有：方法有：Ø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Ø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6研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计课题背景研究现状仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室课题研究现状——大阻尼欠驱动机器人l连杆机器人连杆机器人：：引进大阻尼，利于提高机器人可控可控性性，大阻尼时能减弱减弱欠驱动欠驱动关节的关节的运动耦合运动耦合l仿猿机器人：仿猿机器人：引进大阻尼，能赢得更多的抓握抓握时时间间，提高抓杆可靠性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7研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计课题背景研究现状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：①所简化的模型都是刚体模型，而且没有考虑杆杆件件的变的变形形；②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前馈要求严格；③手爪的形状都是弯勾状或大开合的夹具。

大大降低了降低了抓握抓握难度难度；④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适用性和鲁棒性鲁棒性比较差⑤一些机器人依靠控制律无法无法自主自主从从稳定位置摇起稳定位置摇起，需要额外添加正确方向的扰动⑥Acrobot机器人的摇起方法不完全适用于仿生摆荡机器人，励振效率低下励振效率低下8课题背景研究现状研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究内容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）9课题背景研究现状研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究内容研究内容运动图解：过渡阶段(图e-f)、抓握阶段(图g-k)、连续移动阶段（图l-q）10课题背景研究现状研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究内容研究内容本课题先前研究中遗留的问题：理论研究： 1.机器人的励振阶段，能量能量泵入效率泵入效率较低较低；2.在抓握阶段，抓握时间过长，不能实现快速可靠的抓握实现快速可靠的抓握；3.连续连续移动阶段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重量大，关节极限角速度过大关节极限角速度过大；•摩擦轮机构摩擦轮机构采用电位计，精度低精度低，没有设计压紧装置压紧装置；•手爪内表面的摩擦材料层摩擦材料层的选用问题；11课题背景研究现状研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究内容研究内容本课题要研究内容：理论研究： 1.机器人的励振阶段和抓握阶段控制缺陷的修正控制缺陷的修正；2.连续移动阶段的控制方案控制方案，控制律控制律的设计；3.连续移动的控制仿真实验仿真实验；实验研究：•机器人本体的设计与改进，实物实验平台设计与改进，实物实验平台的搭建；•摩擦轮摩擦轮机构机构的设计与安装；•机器人的参数识别参数识别；•大阻尼摩擦特性实验摩擦特性实验研究研究，摩擦材料的选用与测试；•机器人连续移动抓杆控制实验连续移动抓杆控制实验；12课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案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：机器人主动关节PD反馈关节期望角度计算反馈线性化能量泵入调节           Ø把欠驱动关节和驱动关节通过映射映射联系起来，调整机器人构型Ø额外设计能量泵入能量泵入控制律控制律使得机器人能量随时间提升13课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案2.连续移动抓杆的控制方案e过渡阶段：过渡阶段：1.总能量判断：是否超过抓杆构型的势能，超过多少；2.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：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14课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案2.连续移动抓杆的控制方案连续移动阶段：连续移动阶段：a-b：姿态调整阶段：姿态调整阶段：两手爪都呈松握状态；c：松杆阶段：松杆阶段：松开后手爪，腕关节，肘关节调整手爪方向；d-e：摆摆荡荡阶阶段段：：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：抓握阶段：进入大阻尼状态，准备抓握下一个支撑杆15课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案2.连续移动抓杆的控制方案连续移动阶段：连续移动阶段：d-e：摆摆荡荡阶阶段段是目前几乎所有摆荡机器人的研研究究热热点点因为这个阶段对肘关节的控控制前馈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16课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案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。

手爪桁架杆压簧联轴器编码器摩擦轮齿轮二级传动17课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案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Ø机器人走线布置于杆件内Ø安全防护装置Ø以仿真实验结果为依据选取合适的摩擦层材料18课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案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19课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室研究方案研究方案6.实际机器人连续移动抓杆实验机器人设计机器人摩擦材料测试实验机器人连续移动抓杆实验励振实验抓握实验摆荡抓杆实验20课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室预期目标预期目标1.新设计的控制律能能满足励振阶段的要求，摇摇起速度快起速度快，取得较好的仿真和实验结果；2.设计的连续移动控制律能实现一一次次摆摆荡荡连连续续抓抓杆杆；3.选择合适的摩擦材料，通过实验证明大大阻阻尼尼抓抓杆的可行性杆的可行性；4.仿真环境下，机器人实现从静止开始到连续移动的动作；5.实际机器人能实现励振与连续移动大阻尼抓握目标杆；6.发表学术论文。

21课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室进度安排已完成工作进度安排计划时间进度计划时间进度计划工作进度计划工作进度2016年年3月月1日日—2016年年7月月29日日1.阅读国内外的文献，进行总结归纳2.为开题做准备2016年年7月月30日日—2016年年10月月31日日1.完成机器人实验平台的搭建2.学习pmac、直流伺服电机、雷塞驱动器的使用2016年年11月月1日日—2016年年12月月31日日1.机器人参数识别2.大阻尼抓杆的摩擦特性分析2015年年1月月1日日—2015年年2月月28日日1.机器人各阶段的控制器设计2.搭建虚拟仿真实验平台2015年年3月月1日日—2015年年3月月31日日1.机器人连续移动分析，以及抓握时的力分析2.进行虚拟环境下的实验2015年年4月月1日日—2015年年5月月31日日1.实际机器人桁架环境下实验2015年年6月月撰写论文、准备答辩22课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室进度安排已完成工作目前已完成工作 23课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室已有条件困难预计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24课题背景研究现状研究内容研究方案预期目标进度安排已完成工作已有条件困难预计仿生仿人机器人及其智能运动控制研究室已有条件困难预计研究过程中可能遇到的困难和问题可能遇到的问题：1.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；2.实际机器人的物理参数参数摄动摄动的问题；3.杆件受力变形可能导致抓握时手爪卡死手爪卡死；4.对于不同位置不同位置的目标桁架杆，如何实现连续抓握5.拟采取的措施：6.可以在设计上多采用铝合金，优化控制律降低硬件要求；7.运用采样卡尔曼滤波的方法对机器人进行参数识别；8.加入力传感器和力反馈控制，抖动脱离卡死区域；9.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！谢谢谢谢谢谢谢谢。