仿人轻型机械臂人机协作模式关键技术研究

This project use the humanoid light weight manipulator as a research object, is committed to two core technologies about the safety of human-robot collaboration and precise control, carry out research so as to meet the technical performance of two interrelated research at the same time. Firstly, considering the impact of light manipulator joint flexibility and motor dynamic factors on refine modeling of strong coupling and nonlinear systems; achieve parameter identification of the friction damping, clearance and other nonlinear factors. Secondly, design a practical trajectory tracking controller to meet project needs based on the idea of system decomposition. And then, use the redundancy characteristic of humanoid arm to achieve supple characteristics when robot arm accidental collision by self-motion planning through null-space. At the same time, achieve the robot arm`s trajectory tracking in Cartesian space and obstacle avoidance movement in null-space by studying the virtual potential field method, thus avoiding the occurrence of secondary collisions. Finally, build the 7-DOF humanoid robot arm prototype system to verify the correctness of the research conclusion. The above research will provide theoretical and technical support for human-computer collaborative model which reflect the development trend of the industrial robot.

本项目以仿人手臂轻型机械臂为研究对象，面向人机协作模式的安全性和精确控制两个核心技术，以同时满足两个相互关联的技术性能为目标开展研究。首先，综合考虑轻型机械臂关节柔性和电机动力学因素，进行强耦合非线性系统的精细化建模研究，并对摩擦阻尼、间隙等非线性因素进行参数辨识方法的研究；其次，基于系统分解的思想设计满足工程需要的实用型轨迹跟踪控制器；再次，利用仿人臂的冗余特性，通过零空间的自运动规划实现机械臂对意外碰撞的柔顺特性，从而在实现碰撞安全性的同时保证操作端在笛卡尔空间的轨迹跟踪性能；然后，通过虚拟势场方法的研究，同步实现机械臂在笛卡尔空间的轨迹跟踪运动和零空间的避障运动，从而避免二次碰撞的发生。最后，搭建7-DOF仿人机械臂样机系统，验证研究结论的正确性。以上研究成果将为人机协作模式这一工业机器人发展趋势提供理论和技术支撑。

本项目以仿人轻型机械臂为研究对象，致力于面向人机协作模式的运动控制和智能控制核心技术的研究。主要开展了以下几方面研究工作：. 仿人轻型机械臂的研制。围绕如何提高机械臂与人的共融性、实现机械臂与人协作的问题，项目执行期间开展了机械臂仿生构型、关节力矩传感器、大阻尼柔性环节的研制工作，目标通过机械臂关节柔性化设计提高共融的安全性和复杂操作的顺从性。并且，与所在团队合作实现了基于模块化关节的轻型机械臂的研制，该机械臂对标KUKA的iiwa机械臂，目前已开始推进产业化。.七自由度轻型臂动力学建模。在运动螺旋与力螺旋的基础上，采用拉格朗日方程对协作型机械臂进行了动力学分析。并且采用力螺旋、伴随变换及雅可比矩阵现了力/力矩在不同坐标系间的转换及末端执行器上的力/力矩与各关节力矩之间的转换。从而，基于研制的关节力矩传感器不仅实现了碰撞等扰动外力的检测，也可实现操作空间的力检测。. 关节参数辨识与碰撞安全策略。由系统非线性因素所导致的检测漏报与误报情形是系统动力学建模的难点，针对该问题本研究首先提出了一种基于最大似然框架的周期性带限激励机器人识别方法，利用实验过程中测量到的运动和扭矩数据进行实验识别，以获得准确的机器人模型参数估计。其次，通过激励轨迹优化策略，将参数优化问题转化为约束非线性优化问题，解决准确地辨识被控对象的各项参数的问题。最后，综合比较各类碰撞检测方法，采用基于碰撞检测观测器的外力矩检测方法实现机械臂对外力扰动的感知和辨识，从而实现人机共融的安全性。. 人机协同作业技术。基于人手臂sEMG信息建立手臂末端阻抗模型，并且依据该模型将人对人机协作过程中阻抗变化的判断映射到机械臂的变阻抗控制模型，从而实现轨迹和阻抗参数共同示教，提高人机协作完成复杂柔性作业任务的性能。. 本课题的研究以人手臂和操作特性为仿生原型，通过建立机械臂与手臂的物理模型、功能、策略等的关联关系，实现机械臂与人共融、类人操作的性能。