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具有力反馈的6-DOF电液主—从机器人双向伺服控制技术研究

张祝新  
【摘要】: 遥操作机器人技术在空间探索、海洋开发、原子能应用、军事、抢险救助、远程医疗、宏微操作等领域具有非常广泛而重要的用途,目前已经有较多的应用实绩。为了缩小遥操作与现场直接操作品质的差距,进一步提高遥操作的作业效率和质量,不仅需要为操作者提供清晰的视觉信息,而且还需要为其提供作业反力大小及运动干涉等信息,因此,研究具有力反馈的电液主-从机器人双向伺服控制技术具有非常重要的理论与现实意义。 结合国家自然科学基金资助项目“遥操作6-DOF液压并联机器人的力觉双向伺服控制”(编号:50475011)及教育部优秀青年教师基金课题“具有力觉反馈的远距离操纵工程机器人研究”,在对国内外力觉临场感遥操作机器人系统进行研究分析的基础上,针对已有的遥操作双向伺服控制系统中存在的主-从手位置跟随性差、操作刚性物体时主手抖动以及冲击力大等问题,进行主-从机器人双向伺服控制技术研究。 采用二端口网络理论,根据主-从机器人系统两侧运动和力信息的不同融合方式,在兼顾系统稳定性和操作性能的基础上,对论文提出的位置和力全信息双向伺服控制结构进行简化,得到了“P—P+F”等四种可行的简化控制结构,为控制策略的选择奠定了基础。简化了控制结构,减少了交互通道和检测元件数量,提高了系统工作的可靠性、降低了系统的复杂性和成本。 针对本文支链上液压缸两端采用虎克铰连接的6-DOF并联操作手,研究其运动学和动力学特性,为并联机器人的控制奠定基础;采用两个6-DOF力反馈操作手构成同构式主-从遥操作实验系统,设计阻抗滑膜控制器,分别在空载、弹性负载和刚性负载情况下,对所提出的基于全信息的四种可行控制结构进行了实验研究,实验结果与理论分析基本相符。 本文通过对具有力觉临场感主-从机器人双向伺服控制技术的研究,获得简洁可行的控制结构。特别是其中F—P型全信息双向伺服控制结构及其控制技术应用,取消了从手力传感器,能够有效地隔断当从手和环境作用情况突变时,对操作者产生过大力冲击问题,改善了系统的操作性能,有效解决了主-从遥操作系统中存在的主-从手位置跟随性差、操作刚性物体时主手抖动以及冲击力大等问题。论文研究成果为主-从遥操作双向伺服技术的推广使用奠定了基础。


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