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基于sEMG和变刚度控制的虚拟假手交互系统

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传感器与微系统 2023年第2期42卷 68-71,79页

作者：余伟杰曾洪金伟明宋爱国东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

为使虚拟假手在交互时具有柔顺性,实现了一种基于表面肌电(sEMG)信号和变刚度控制的虚拟假手交互系统。首先,采集人体前臂的sEMG信号并从中估计人手的刚度水平和关节扭矩;然后,通过变刚度阻抗控制模型估计虚拟假手的关节角度;最后,使用... 详细信息

为使虚拟假手在交互时具有柔顺性,实现了一种基于表面肌电(sEMG)信号和变刚度控制的虚拟假手交互系统。首先,采集人体前臂的sEMG信号并从中估计人手的刚度水平和关节扭矩;然后,通过变刚度阻抗控制模型估计虚拟假手的关节角度;最后,使用估计的关节角度控制虚拟假手与虚拟环境中的物体进行交互,交互过程中根据虚拟假手与物体的交互力对关节角度进行动态调节。实验结果表明:基于sEMG和变刚度控制的虚拟假手在进行抓握物体的交互任务时能在成功抓握物体的前提下产生较小的交互力,从而实现柔顺的交互。

关键词：表面肌电信号变刚度控制 MYO臂环虚拟假手

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绳驱空间机器人系统设计及变刚度控制研究

绳驱空间机器人系统设计及变刚度控制研究

作者：张鲁杨山东理工大学

学位级别：硕士

空间机器人在人造地球卫星的捕获、检测及维修等在轨服务中扮演着越来越重要的角色。空间机器人开展在轨服务的关键是要实现对卫星的有效捕获。针对在轨卫星的捕获问题,本文拟设计一套具有“机-电”分离特点的绳驱空间机器人系统;建立... 详细信息

空间机器人在人造地球卫星的捕获、检测及维修等在轨服务中扮演着越来越重要的角色。空间机器人开展在轨服务的关键是要实现对卫星的有效捕获。针对在轨卫星的捕获问题,本文拟设计一套具有“机-电”分离特点的绳驱空间机器人系统;建立串并联耦合绳驱空间机器人的运动学模型,提出基于卷积的动态加加速度规划算法;建立解析刚度模型,提出绳驱空间机器人在卫星捕获中避免刚性碰撞冲击的变刚度控制方法。太空中温差大、辐射强、干扰多的极端环境极易损坏空间机器人,然而安装在关节处且需要专门防护的电机等电气设备会增加运动部件的质量和尺寸。因此,本文设计一套具有“机-电”分离特点的绳驱空间机器人系统。“机-电”分离特点中:“机”指机械臂等机械部件包含臂杆、关节等结构,“电”指控制箱等电气部件包含电机、驱动器、控制器等组件。设计基于旋转式快换机构的控制箱,既可以实现快速更换维护功能,又可以放置在高度防护的星体中提高恶劣空间环境下的可靠性。搭建绳驱空间机器人控制系统,为完成运动规划和变刚度控制提供基础。绳驱空间机器人自由度多,绳索和关节耦合关系复杂,实现灵活且平稳的运动控制十分困难。因此,本文基于其串并联耦合的结构特点建立绳驱空间机器人的运动学模型,建立绳索空间、关节空间和任务空间之间的相互映射关系。进一步地,本文考虑绳索期望位移属于超长位移、长位移、中位移及短位移四种情况,提出基于卷积的动态加加速度算法。所提算法通过动态设置加加速度减少启动及变速时过大加速度对绳驱空间机器人的冲击,确保绳驱空间机器人的平稳运动。在自由漂浮卫星的捕获过程中,已在轨的6或7自由度空间机械臂往往需要承受巨大的刚性碰撞冲击。可刚可柔的变刚度捕获,可大大减少或避免刚性碰撞冲击。为了完成卫星的变刚度捕获任务,本文首先建立绳驱空间机器人的解析刚度模型,分析影响绳驱空间机器人刚度的主要因素。然后,绘制绳驱空间机器人刚度云图表征整体构型、绳索拉力和刚度的关系。基于影响刚度的主要因素和刚度云图,提出考虑绳驱空间机器人整体构型和绳索拉力的变刚度控制方法。所提出的变刚度控制方法以调整主动和被动控制点优化整体构型为主,以串级PID控制绳索拉力为辅。该方法同时控制绳驱空间机器人的构型和拉力以达到期望刚度,实现绳驱空间机器人的变刚度控制。本文完成了绳驱空间机器人样机的开发,搭建了绳驱空间机器人实验系统。对运动学模型、运动规划方法、刚度模型和变刚度控制方法进行了实验验证。实验结果证明绳驱空间机器人系统设计的合理性及变刚度控制的有效性。

关键词：绳驱机器人运动学模型运动规划刚度模型变刚度控制

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板带轧机变刚度控制的应用及仿真

系统仿真学报 2006年第4期18卷 1030-1032页

作者：谭树彬钟云峰徐心和东北大学信息科学与工程学院辽宁沈阳110004 上海宝山钢铁股份公司热轧厂上海201900

变刚度系数是板带连轧机厚度自动控制系统中一个重要的参数。通过对变刚度厚度控制原理和控制模型的研究,辅助于必要的仿真手段,研究了不同的变刚度系数对消除入口厚度偏差、轧制力扰动以及轧辊偏心等三种情况的影响。最后,综合考虑三... 详细信息

变刚度系数是板带连轧机厚度自动控制系统中一个重要的参数。通过对变刚度厚度控制原理和控制模型的研究,辅助于必要的仿真手段,研究了不同的变刚度系数对消除入口厚度偏差、轧制力扰动以及轧辊偏心等三种情况的影响。最后,综合考虑三种控制效果,对变刚度系数的合理取值作了定量的研究和分析。

关键词：连轧机自动厚度控制变刚度控制数学模型

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变刚度控制的收敛性与稳态特性分析

冶金自动化 2008年第3期32卷 43-46+50页

作者：杨卫东北京科技大学信息工程学院北京100083

针对变刚度控制概念及公式推导中普遍存在的不确切问题,本文采用基于无穷级数的数学分析方法对变刚度控制的收敛性及稳态特性进行了研究,证明了其收敛条件即变刚度系数的取值范围与机架刚度系数及轧件塑性系数的关系。在收敛性证明的基... 详细信息

针对变刚度控制概念及公式推导中普遍存在的不确切问题,本文采用基于无穷级数的数学分析方法对变刚度控制的收敛性及稳态特性进行了研究,证明了其收敛条件即变刚度系数的取值范围与机架刚度系数及轧件塑性系数的关系。在收敛性证明的基础上建立了变刚度控制的稳态分析方法,推导了厚度偏差等变量的稳态数值计算公式,阐明了等效刚度概念的准确含义、理论表达式及其对AGC系统厚度控制性能的影响,并对变刚度控制刚度特性的分类进行了完整的描述。

关键词：压力AGC 变刚度控制收敛性稳态分析等效刚度

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压力闭环下的轧机变刚度控制

控制与决策 2002年第1期17卷 126-128页

作者：王君李建平王国栋东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110004

指出了在压力闭环下进行变刚度控制的必要性 ,从轧机变刚度定义出发提出了压力闭环下变刚度控制的基本方程 ,给出了压力闭环下 BISRA、厚度计型和动态设定型变刚度控制模型。

关键词：变刚度控制压力闭环轧机液压系统

基于表面肌电信号的虚拟假手和机械臂仿人变刚度控制技术研究

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基于表面肌电信号的虚拟假手和机械臂仿人变刚度控制技术研究

作者：余伟杰东南大学

学位级别：硕士

阻抗控制能决定机器人与环境之间的交互力以及运动轨迹的动态关系,可以让机器人更加柔顺地执行任务或与环境进行力交互,被广泛应用在机器人控制中。然而阻抗控制需要根据任务需求来确定刚度等参数,与非结构化环境交互或执行一些具有不... 详细信息

阻抗控制能决定机器人与环境之间的交互力以及运动轨迹的动态关系,可以让机器人更加柔顺地执行任务或与环境进行力交互,被广泛应用在机器人控制中。然而阻抗控制需要根据任务需求来确定刚度等参数,与非结构化环境交互或执行一些具有不确定性的动态任务的效果并不理想。基于学习的变刚度控制方法虽然能对机器人的刚度进行调节,但不够直接,且会增加系统的成本。而人类能够自适应调节人体的刚度,从而灵巧且安全地完成一些复杂操作,且表面肌电信号(surface Electromyography,sEMG)中包含了肌力、关节运动量、关节刚度的大量信息,因此本文借鉴人体优秀的操作能力,从sEMG中提取人体的刚度调节特征,对基于表面肌电信号的虚拟假手和机械臂仿人变刚度控制技术进行了研究,主要开展了以下四个方面的工作:(1)设计了基于sEMG和变刚度阻抗控制的虚拟假手交互系统。提出一种从sEMG中基于变刚度阻抗控制模型估计虚拟假手关节角度的方法,根据人手的刚度水平对虚拟假手的刚度进行动态调节,从而使虚拟假手在交互时具备柔顺性;研究了基于可穿戴指套式力反馈装置的虚拟假手交互力反馈方法,通过将虚拟假手的交互力反馈给操作者,增强了操作者在交互时的沉浸感。(2)开展了基于sEMG和变刚度阻抗控制的虚拟假手实验研究。首先进行了虚拟假手角度估计实验,验证了基于sEMG和变刚度阻抗控制的虚拟假手角度估计方法的有效性。然后在两个虚拟交互场景下进行虚拟假手交互实验,分别为抓握实验和抗干扰轨迹跟踪实验.实验结果表明基于sEMG和变刚度阻抗控制的虚拟假手能够根据任务要求通过肌肉收缩调节刚度,在抓握实验中能在成功抓握物体的前提下产生较小的交互力,在抗干扰轨迹跟踪实验中能在跟踪参考轨迹时有效抵抗外部干扰,从而提高了虚拟假手的柔顺性和对不同类型任务的适应性。(3)设计了基于sEMG和仿人变刚度控制的主从机械臂系统。通过坐标变换建立Omega.7手控器与UR3机械臂末端位置的映射关系,从而实现主从控制;提出一种基于sEMG的机械臂仿人变刚度控制策略,从主端操作者的sEMG中提取人体手臂的刚度水平用于调节从端机械臂末端的刚度,并根据从端机械臂末端受力使用阻抗控制对从端参考轨迹进行修正,以使机械臂与物体交互时兼具位置控制精度和柔顺性。(4)开展了基于sEMG和仿人变刚度控制的机械臂实验研究。搭建了UR3机械臂实验平台,分别进行了固定刚度的UR3机械臂交互实验以及基于sEMG和仿人变刚度控制的UR3机械臂交互实验。实验结果表明,低刚度的机械臂虽然位置控制精度低,但具有较强的柔顺性,而高刚度的机械臂位置控制精度高,但柔顺性较差。基于sEMG和仿人变刚度控制的UR3机械臂相较于低刚度具有较高的位置控制精度,相较于高刚度具有较强的柔顺性,能够适应未知的环境以及具有不确定性的任务。

关键词：表面肌电信号变刚度控制虚拟假手机械臂控制

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轧机刚度标定与变刚度厚度控制的研究

轧机刚度标定与变刚度厚度控制的研究

作者：王海龙东北大学

学位级别：硕士

板带厚度自动控制（AGC）是轧制自动化领域最重要的技术之一,它直接关系到带钢的质量和经济效益,所以深入研究厚度自动控制是非常有必要的。本文以某钢厂2250mm热连轧机厚度自动控制系统为背景,对该厚度控制系统进行深入的消化吸收。研... 详细信息

板带厚度自动控制（AGC）是轧制自动化领域最重要的技术之一,它直接关系到带钢的质量和经济效益,所以深入研究厚度自动控制是非常有必要的。本文以某钢厂2250mm热连轧机厚度自动控制系统为背景,对该厚度控制系统进行深入的消化吸收。研究了厚度计式厚度控制系统（GM-AGC）的绝对方式和锁定方式的区别——厚度目标值来源不同;弹跳量计算不同。GM-AGC通过引入厚度计增益系数修改辊缝补偿值,达到了轧机刚度可变的效果,也叫变刚度控制。以绝对方式为例对GM-AGC进行了深入研究,包括厚度计算的数学模型、各种辊缝补偿功能的原理和算法;结合框图详细分析了积分型监控AGC和Smith监控AGC的工作原理和系统中所使用参数的物理意义。对GM-AGC厚度计算模型中至关重要的一环——轧机刚度进行了深入探讨,研究了轧机刚度标定过程,包括调平、压靠和压靠数据的拟合,以及轧件宽度对刚度的影响,并采用理论计算方法获取了轧件宽度对轧机刚度的影响系数。由于压靠过程并未开启AGC功能,只依赖于位置控制系统。为使压靠数据更精准,刚度标定更准确,采用模糊自整定PID的控制方法对液压压下系统进行控制,并在MATLAB中运用Simulink对压下系统进行仿真分析,验证其在扰动下和在液压缸参数摄动情况下的超调量以及调节时间。对GM-AGC可变刚度的控制效果进行深入研究。结合系统框图采用解析方式推导出厚度计式变刚度厚度控制系统的出口厚度偏差表达式,并研究了系统的稳定性、动态特性和稳态特性。系统的稳定性和动态特性与变刚度系数的取值无关,只与液压位置内环有关。只有稳态特性与变刚度系数密切相关:当工作在绝对方式时,变刚度系数为1,此时可以完全消除入口厚度偏差带来的扰动,但对于轧机方面的扰动（轧辊偏心、轧制力扰动）却起不到任何消除作用反而会产生原理上的误动作;当工作在相对方式时,随着变刚度系数的减小,该误动作的幅度也在减小。通过对系统性能指标定量的分析,为现场选取变刚度系数提供参考。

关键词：厚度自动控制刚度标定变刚度控制厚度计

基于变刚度机制的GMA阻抗匹配控制方法及实验研究

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基于变刚度机制的GMA阻抗匹配控制方法及实验研究

作者：张烨恒武汉理工大学

学位级别：硕士

超磁致伸缩作动器(GMA)是以超磁致伸缩材料(GMM)作为驱动元件的高度集成化的作动器,其性能影响因素多,理论分析复杂。受制于GMM的材料特性和现有作动器定内阻设计的影响,效率问题长期以来制约着高性能GMA的发展。本文提出一种作动器机... 详细信息

超磁致伸缩作动器(GMA)是以超磁致伸缩材料(GMM)作为驱动元件的高度集成化的作动器,其性能影响因素多,理论分析复杂。受制于GMM的材料特性和现有作动器定内阻设计的影响,效率问题长期以来制约着高性能GMA的发展。本文提出一种作动器机械内阻抗连续可调机制及其效率提升方法,以超磁致伸缩材料(牌号Terfenol-D)为驱动元件,提出了一种GMA的设计方案,通过调控Terfenol-D的ΔE效应对作动器机械内阻抗主动调节,机械内阻抗可与负载阻抗自适应匹配,使作动器功率转换效率最高,主要研究工作如下:(1)从超GMM材料特性和GMA的工作原理出发,设计了一款超磁致伸缩作动器。对作动器的预紧结构进行了优化设计,更好地满足作动器的工作要求。对作动器的磁路进行了设计和计算。(2)基于机械阻抗法和机电模拟建模法对GMA的机械阻抗网络进行了搭建,通过基尔霍夫定律和焦耳定律对作动器功率转化效率进行了建模,确立了作动器功率转化效率最高时,作动器阻抗匹配条件。对Terfenol-D进行了压缩应力加载测试,并对Terfenol-D棒杨氏模量在外加应力和驱动磁场耦合作用下的变化规律及原因进行了分析。依据Terfenol-D棒杨氏模量的变化范围,确定了作动器的理想负载阻抗匹配区间。通过控制变量法分析了Terfenol-D棒结构参数对作动器阻抗匹配的影响,提出了根据负载情况选取Terfenol-D棒规格的方法。(3)在所建立的机械阻抗网络模型的基础上,基于神经网络和二维插值方法分别建立了描述Terfenol-D棒磁场、应力-杨氏模量的理论模型,并与实验数据进行了对比,采用神经网络求逆的方法确定了Terfenol-D棒目标杨氏模量与所需的驱动磁场、外加应力的数学关系,并基于神经网络逆模型和阻抗匹配条件,求解作动器的驱动电流信号,完成了闭环的超磁致伸缩作动器阻抗跟踪控制,仿真计算得到控制方案下作动器功率转化效率最高可达25%。(4)研制了GMA原理样机,在其基础上搭建了实验测试平台,对作动器进行了实验测试,测试数据与仿真计算结果较好地吻合,验证了所建立理论模型的准确性。确定了作动器的最佳工作预应力为6 MPa;并在300 HZ、500 HZ、1000 HZ下对作动器进行了测试,将测试数据与仿真计算结果进行了对比,阻抗跟踪控制方案下,实验测得的不同负载下作动器效率均在24%到25%之间。

关键词：超磁致伸缩作动器 Terfenol-D 神经网络机械阻抗变刚度控制

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气动变刚度驱动器结构设计与驱动控制研究

气动变刚度驱动器结构设计与驱动控制研究

作者：汤培重庆大学

学位级别：硕士

因为传统的刚性驱动有着精度高,负载强,线性度高等优势,所以传统的机械传动大都采用刚性驱动。但是在服务,医疗,娱乐以及无人化等领域,因为工作环境复杂,人机交互多变或者携带能源有限,导致传统刚性驱动在柔顺性,安全性,节能性等上不能... 详细信息

因为传统的刚性驱动有着精度高,负载强,线性度高等优势,所以传统的机械传动大都采用刚性驱动。但是在服务,医疗,娱乐以及无人化等领域,因为工作环境复杂,人机交互多变或者携带能源有限,导致传统刚性驱动在柔顺性,安全性,节能性等上不能满足要求。因为变刚度驱动系统中存在弹性元件,在服务机器人和康复机器人等载体中可减小人类受到的机械、冲击等伤害。同时,变刚度驱动器可以利用弹性体储存能量,并在合适的位置释放出来,可以节能。本文针对现有变刚度驱动器体积大,重量高,结构复杂,机械接触多,效率低等不足,基于气体的可压缩性,研制了一款气动变刚度驱动器。并建立模型,进行仿真,设计控制系统,设计自适应变刚度以及实验验证。研究包括以下内容:（1）建立数学模型。分析气动变刚度驱动器数学原理,建立气动弹簧刚度与转角差之间的关系,建立变刚度机构的压缩量与气动弹簧刚度之间的数学关系。同时使用MATLAB验证数学模型的正确性,并得到输入轴输出轴的转角差与刚度、转角差与扭矩以及转角差与储能量等性能曲线。（2）控制系统研究。研究电机、弹性元件和传动轴系的数学模型。建立以速度,位置等为目标的前馈PID控制器,减小刚度驱动存在较大的滞后所带来的不利影响。同时使用MATLAB/Simulink对前馈PID控制器在各种工况下进行仿真,并优化了传动系统的位置跟踪效果,响应速度等性能。同时验证了温度,背隙等不良因素对系统的影响。（3）自适应变刚度分析。分析气动变刚度驱动器在往返运动过程中,不同的刚度对能耗的影响。并建立刚度与能耗的关系,并基于梯度下降法设计自适应变刚度控制器,使得气动变刚度驱动器在不同工况中能以单周期能耗为优化目标,自动调整气动变刚度驱动器的刚度。（4）环境搭建及实验验证。建立气动变刚度驱动器的三维模型和样机制作。搭建了包含扭矩传感器,编码器在内的实验环境。得到了在正弦跟踪,阶跃响应和斜坡跟踪等各个工况下气动变刚度驱动器的实验数据,验证样机与理论的一致性。

关键词：变刚度驱动器气动驱动变刚度控制自适应变刚度