[學習]仿猿雙臂手大阻尼欠驅動連續(xù)移動控制與實驗

1、仿猿雙臂手大阻尼欠驅動連續(xù)移動控制與實驗,答辯人：黃民昌導 師：吳偉國 教授,,仿生仿人機器人及其智能運動控制研究室,,目 錄,Contents,仿生仿人機器人及其智能運動控制研究室,1,課題研究的背景和意義,2,國內外的研究概況,3,主要研究內容,4,課題研究方案,5,預期達到的目標和取得的研究成果,6,課題研究進度安排與已完成的工作,7,已具備的條件和可能遇到的問題,靈長類仿生機器人,課題研究背景,靈長類動物能夠在樹枝間進行靈活

2、快速的懸臂擺蕩移動,課題研究現(xiàn)狀——擺蕩機器人,Fukuda課題組：靈長類仿生領域最領先地位；,BMR機器人,Brachiator III,添加視覺伺服系統(tǒng)的Brachiator III,Gorilla Robot III,其他學者：國外：Meghdari(CEDRA機器人)，Rosa(Gibbot)國內：哈工大吳偉國教授，張曉華教授，東北大學程紅太副教授,課題研究現(xiàn)狀——Acrobot,Acrobot因為它有欠驅動、強耦合、非線

3、性，結構簡單卻控制復雜的特點，常常成為各種非線性控制理論的“試驗田”,Acrobot的控制目標為從下擺平衡位置，搖起到倒立位置平衡。國內外的理論方法有：國外：反饋線性化理論和能量泵入法（Spong，被引量605），李雅普諾夫方法，強化學習法，LQR控制法等國內：模糊控制，基于倒轉方法的搖起軌跡控制，遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法，滑膜變結構控制等,課題研究現(xiàn)狀——大阻尼欠驅動機器人,連桿機器人：引進大阻尼，利于提高機器人可控性，大阻尼

4、時能減弱欠驅動關節(jié)的運動耦合。,仿猿機器人：引進大阻尼，能贏得更多的抓握時間，提高抓桿可靠性。,可抓握區(qū)域,國外：Arai（制動-放開-制動的運動方式） Oliver（重力與摩擦力補償） Olivares和Staffetti（嵌入最優(yōu)控制）國內：陳煒（分階段關節(jié)空間位置控制） 任志全（模糊控制）,國內：仿生仿人機器人及其智能運動控制研究室,課題研究現(xiàn)狀——小結,

5、仿生擺蕩運動機器人還存在待解決的問題：所簡化的模型都是剛體模型，而且沒有考慮桿件的變形；連續(xù)擺蕩運動中，系統(tǒng)能量只能與擺蕩構型同時調節(jié)，缺乏靈活性，對系統(tǒng)前饋要求嚴格；手爪的形狀都是彎勾狀或大開合的夾具。大大降低了抓握難度；大部分機器人只能抓握同等高度的桁架桿，抓桿策略的適用性和魯棒性比較差一些機器人依靠控制律無法自主從穩(wěn)定位置搖起，需要額外添加正確方向的擾動。Acrobot機器人的搖起方法不完全適用于仿生擺蕩機器人，勵振效

6、率低下。,研究內容,仿猿雙臂機器人結構,運動圖解：分為勵振階段(圖a-d)、過渡階段(圖e-f)、抓握階段(圖g-k)、連續(xù)移動階段（圖l-q）,研究內容,運動圖解：過渡階段(圖e-f)、抓握階段(圖g-k)、連續(xù)移動階段（圖l-q）,研究內容,本課題先前研究中遺留的問題：理論研究： 機器人的勵振階段，能量泵入效率較低；在抓握階段，抓握時間過長，不能實現(xiàn)快速可靠的抓握；連續(xù)移動階段的控制方案，控制律沒有設計。實驗研究：實際機

7、器人設計中存在重量大，關節(jié)極限角速度過大；摩擦輪機構采用電位計，精度低，沒有設計壓緊裝置；手爪內表面的摩擦材料層的選用問題；,研究內容,本課題要研究內容：理論研究： 機器人的勵振階段和抓握階段控制缺陷的修正；連續(xù)移動階段的控制方案，控制律的設計；連續(xù)移動的控制仿真實驗；實驗研究：機器人本體的設計與改進，實物實驗平臺的搭建；摩擦輪機構的設計與安裝；機器人的參數(shù)識別；大阻尼摩擦特性實驗研究，摩擦材料的選用與測試；機器

8、人連續(xù)移動抓桿控制實驗；,研究方案,1.基于能量和構形的搖起方法若設欠驅動關節(jié)角度為q1，主動關節(jié)角度為q2，則控制策略可設計如下：,把欠驅動關節(jié)和驅動關節(jié)通過映射聯(lián)系起來，調整機器人構型額外設計能量泵入控制律使得機器人能量隨時間提升,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,e過渡階段：總能量判斷：是否超過抓桿構型的勢能，超過多少；構型判斷：通過幾何運動學計算，欠驅動關節(jié)是否在可抓握區(qū)域內。f-k抓握階段： 引入

9、大阻尼。采取“先瞄準，后抓取”的方式，實時由欠驅動關節(jié)計算出各關節(jié)的期望值并進行運動學控制。,e,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,連續(xù)移動階段：a-b：姿態(tài)調整階段：兩手爪都呈松握狀態(tài)；c：松桿階段：松開后手爪，腕關節(jié)，肘關節(jié)調整手爪方向；d-e：擺蕩階段：前手爪松握桁架桿，機器人下擺，同時肘關節(jié)給機器人調整抓握姿態(tài)并補充能量；f：抓握階段：進入大阻尼狀態(tài)，準備抓握下一個支撐桿。,研究方案,2.連續(xù)移動抓桿的控制方案,連續(xù)

10、移動階段：d-e：擺蕩階段是目前幾乎所有擺蕩機器人的研究熱點。因為這個階段對肘關節(jié)的控制前饋非常嚴格。,松桿時勢能,松桿時構型,抓桿時勢能,抓桿時構型,,,智能方法進行前饋規(guī)劃,機器人軌跡追蹤控制,進入大阻尼抓握階段,研究方案,3.摩擦輪機構設計,此外，對機器人的部件進行有限元分析，對于設計不合理的地方，重設計或去除多余部分以減重。,研究方案,4.實際機器人試驗平臺的搭建,計算機,運動控制卡,驅動器,編碼器,5V開關電源,18V開關電

11、源,機器人電機,機器人走線布置于桿件內安全防護裝置以仿真實驗結果為依據(jù)選取合適的摩擦層材料,研究方案,5.機器人參數(shù)識別與大阻尼的摩擦特性曲線的測定,,,,,計算機濾波處理,給定正弦輸入,機器人運動,傳感器采樣,研究方案,6.實際機器人連續(xù)移動抓桿實驗,,,預期目標,新設計的控制律能能滿足勵振階段的要求，搖起速度快，取得較好的仿真和實驗結果；設計的連續(xù)移動控制律能實現(xiàn)一次擺蕩連續(xù)抓桿；選擇合適的摩擦材料，通過實驗證明大阻尼抓桿的

12、可行性；仿真環(huán)境下，機器人實現(xiàn)從靜止開始到連續(xù)移動的動作；實際機器人能實現(xiàn)勵振與連續(xù)移動大阻尼抓握目標桿；發(fā)表學術論文。,進度安排,目前已完成工作,,為完成課題已具備的條件,實驗室具有PMAC控制卡和Maxon伺服電機，諧波減速器，實驗所用的桁架桿，雙臂手機器人本體部分零件和實驗室研制的手爪，研究經(jīng)費充足。,PMAC控制卡,諧波減速器,實驗室研制的手爪,雙臂桿件,研究過程中可能遇到的困難和問題,可能遇到的問題：手爪的大握力，減重