面向智能制造的人机合作伺服系统自律控制研究

In order to improve the manufacturing intelligence, this project focuses on the servo control for robot cooperating with human to achieve adaptation to varying environments and tasks in the premise of ensuring safety. The research consists of the following contents. First, a fault diagnosis algorithm via motion control information and the response mechanism are designed for safe motions. Then, an intelligent rigid-flexible control algorithm is researched, consisting of impedance control to collision force and squeeze force from workers and high-precision motion control dealing with other disturbances. Consequently, on-line control parameters adjustment algorithm is designed to adapt to different situations. At last, a robot and human cooperation platform with open control architecture is developed to verify the above algorithms. The outcome of this project on the servo control will support the research of intelligent manufacturing using robots in China.

本课题以通过人机合作来提升机器人制造系统的智能化程度为目标，围绕人机合作安全和对非结构化的操作环境和不确定的作业任务的适应性展开伺服系统的自律控制研究，建立机器人本质的安全机制并设计适应不确定作业工况的控制方法，为我国的机器人智能制造研究提供伺服控制技术支持。具体研究内容包括：利用运动控制信息设计伺服系统部件失效的监测方法并建立相应的响应机制，确保机器人运行安全；设计智能刚-柔控制算法，针对碰撞、挤压等安全相关力进行阻抗控制和针对其余干扰进行位置跟踪控制，确保操作工人安全并满足位置跟踪需求；研究控制参数在线调整方法，适应任务工况变化；开发和搭建开放的人机合作系统，设计部件失效监测实验和挤压、碰撞试验，模拟人机合作装配复杂零件，验证和演示上述控制方法。

协作机器人是近年来兴起的一种新型的机器人类型，它可以在共享空间中快速部署并与人合作完成任务，其协作特性要求控制系统在实现高性能运动的前提下还须满足如下要求：确保安全、便捷使用和工况适应性。.本课题围绕协作机器人的安全与便捷使用展开了研究。首先，研究了机器人伺服系统辨识与控制参数调谐方法，具体包括基于继电反馈的间隙辨识以预判机器人的运行故障；基于相平面的伺服系统模型参数辨识、基于迭代学习的前馈控制器参数调整以及多轴控制器参数的匹配自整定以提升机器人运动性能。接着，建立了包含关节摩擦力的机器人非线性动力学模型及其参数迭代辨识方法，通过最优轨迹激励获得辨识信号，精确获取动力学模型参数；并设计了基于动力学模型的机器人外力观测器，通过自动微分技术实现惯量矩阵的导数求解以实现观测器的实时计算，从而为机器人与环境交互提供力信息。然后，围绕协作机器人的安全性要求，开发了碰撞前避碰与碰撞时检测响应的安全系统，具体包括基于视觉系统自定义安全区域的避碰技术和基于动力学模型的碰撞检测技术，实现多重机制安全保障。最后，针对机器人快速部署的使用要求，开发了便捷的人机交互接口，具体包括基于ROS的语音示教和基于外力观测器的拖拽示教技术，其中拖拽示教可以实现无力传感器机器人在关节空间或工作空间近零力或助力的拖拽。.上述研究内容在搭建的matlab仿真平台和六轴实验平台上得到验证。验证后的技术已转移到上海节卡机器人科技有限公司的“小助”系列协作机器人控制系统中，支持了国产协作机器人的功能扩展和性能改善。