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仿生柔性外肢体机器人的优化设计与实现

机器人 2024年第2期46卷 147-157页

作者：徐嘉骏张添一黄恺真曹凯吉爱红徐林森南京航空航天大学机电学院江苏南京210016 河海大学机电工程学院江苏常州213022

纤维增强型驱动器(FRA)受到了章鱼触手多肌纤维生物学特性的启发,有望用于外肢体机器人(SRL)完成多样化的运动。本文首先介绍了FRA实现伸长、膨胀、弯曲、扭转变形的驱动原理,阐述了FRA的制备流程,并在此基础上提出了采用FRA的柔性外肢... 详细信息

纤维增强型驱动器(FRA)受到了章鱼触手多肌纤维生物学特性的启发,有望用于外肢体机器人(SRL)完成多样化的运动。本文首先介绍了FRA实现伸长、膨胀、弯曲、扭转变形的驱动原理,阐述了FRA的制备流程,并在此基础上提出了采用FRA的柔性外肢体机器人的设计与实现方法。通过建立FRA的分析模型,揭示了驱动器在不同变形模态下其构形参数与输入气压对变形量的影响规律,并通过有限元仿真加以验证。此外,还提出了柔性外肢体机器人轨迹优化算法,通过构建多目标优化函数并基于置信域方法优化各FRA的设计参数,协助穿戴者完成规定任务。通过样机试验测试了本文的外肢体机器人的系统性能,该外肢体机器人可以有效提升穿戴舒适性,实现3维空间中的灵活运动。研究结果表明,采用FRA的柔性外肢体机器人在穿戴舒适性、动作多样性、控制精准性等方面优于现有的柔性外肢体机器人。

关键词：外肢体机器人软体机器人纤维增强型驱动器有限元建模轨迹优化

考虑驱动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制研究

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仪器仪表学报 2023年第6期44卷 21-34页

作者：齐飞张恒孙杰李宵灵陈柏常州大学机械与轨道交通学院常州213164 南京航空航天大学机电学院南京210016

针对绳驱动外肢体机器人由于其布线形式及驱动耦合所造成的运动建模复杂及控制精度低等问题,研究了一种考虑驱动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制方法。基于D-H法和欧拉变换原理构建了刚柔一体外肢体机器人的运动学模型,并根据... 详细信息

针对绳驱动外肢体机器人由于其布线形式及驱动耦合所造成的运动建模复杂及控制精度低等问题,研究了一种考虑驱动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制方法。基于D-H法和欧拉变换原理构建了刚柔一体外肢体机器人的运动学模型,并根据关节耦合机理推导相邻关节间的主动解耦模型,提出了一种基于驱动解耦运动学模型的外肢体控制策略。最后搭建了外肢体机器人实验样机,并对其所建运动模型及控制方法进行验证。结果表明,机器人末端多点定位误差最大为7.45 mm,移动路径最大误差为7.24 mm,总体误差平均值为6.08 mm,由此验证了所提的刚柔一体外肢体机器人驱动解耦运动学模型和控制策略的正确性,具有较好的控制精度和运动品质。

关键词：外肢体机器人运动建模关节耦合主动解耦

过顶作业外肢体机器人结构设计与补偿控制研究

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2023年第6期40卷 727-737页

作者：刘珂铭陈柏徐嘉骏蒋素荣刘德斌常天佐白东明南京航空航天大学机电学院南京210016 南京航空航天大学理学院南京211106 金华职业技术学院机电工程学院金华321016 浙江省农作物收获装备技术重点实验室金华321016

为了提高航空装配的效率,开发了一种外肢体机器人用于飞机舱内的过顶作业。外肢体机器人(Supernumerary robotic limbs,SRLs)通过安装在人类肩膀上的三自由度机械臂,协助工人支撑天花板,实现单人作业,这种方法取代了原来的双人作业模式... 详细信息

为了提高航空装配的效率,开发了一种外肢体机器人用于飞机舱内的过顶作业。外肢体机器人(Supernumerary robotic limbs,SRLs)通过安装在人类肩膀上的三自由度机械臂,协助工人支撑天花板,实现单人作业,这种方法取代了原来的双人作业模式,降低了劳动成本,减少了工人的负担。为提升穿戴舒适性与环境适应性,分别设计了柔性鞍座与柔性末端执行器;同时,通过3种手段实现人机系统的安全性,包括设计碰撞检测外壳、选择套索传动的绳驱动解耦方式和限制关节转角。针对辅助过顶支撑作业中动基座问题对外肢体位置/力控制造成的干扰,构建了人机共融运动学模型,基于此设计了位置补偿控制算法,同时基于导纳控制原理设计了力补偿控制算法。实验测试结果表明,所设计的位置补偿算法使末端位置误差较原始误差减小74%以上,力控补偿算法可控制外肢体单臂以5 N的目标力恒定输出,满足其作业需求。

关键词：外肢体机器人结构设计绳驱动位置补偿导纳控制

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外肢体机器人作业策略半物理仿真系统

外肢体机器人作业策略半物理仿真系统

作者：崔贺山东大学

学位级别：硕士

不同于外骨骼机器人作为人类肢体的“增强”,外肢体机器人通过穿戴方式作为人类肢体的“扩展”,协助穿戴者完成特定的作业任务,是近年来提出的一种新型可穿戴式机器人。在飞机制造、建筑装修等工作强度大、受到空间与规模条件限制的任... 详细信息

不同于外骨骼机器人作为人类肢体的“增强”,外肢体机器人通过穿戴方式作为人类肢体的“扩展”,协助穿戴者完成特定的作业任务,是近年来提出的一种新型可穿戴式机器人。在飞机制造、建筑装修等工作强度大、受到空间与规模条件限制的任务场景中,外肢体机器人可以通过与人类肢体的对接融合、互助协作提高穿戴者感知与操作能力,完成复杂作业任务。由于外肢体机器人在工作过程中十分注重与穿戴者的协作处理,且经常面临一些危险作业场景,为保证穿戴者安全,本文构建了一种外肢体机器人作业策略半物理仿真系统,可以在项目开展前期阶段进行算法验证、在一些极限工况下进行动作仿真分析,为提高穿戴式机器人辅助作业效能提供新途径。本文的主要研究内容如下:(1)根据系统要求,构建满足作业任务需求的外肢体机器人与穿戴者动力学模型,作为验证后续控制算法的基础。首先介绍所使用的外肢体机器人结构,并根据部件间连接特点,通过RecurDyn软件,在部件之间建立了合适的动力学约束,构建了穿戴者-外肢体机器人动力学仿真模型,最后基于示教动作,验证了所建立动力学模型的准确性。(2)针对深度网络训练过程中出现的“梯度爆炸”问题,提出了一种深度残差GRU神经网络模型,用于穿戴者行为识别。首先通过惯性测量单元捕捉穿戴者动作信息,并设计实验,采集制作了穿戴者行为数据集;接着使用滤波、分割、归一化等操作处理数据,去除数据中的噪音成分,加快后期模型训练收敛速度,提高识别准确率;最后通过介绍常用的递归循环网络单元与残差学习策略,构建了深度残差GRU网络,对穿戴者行为进行分类,识别准确率为92.20%,并通过对比实验验证了模型的优越性能。(3)针对外肢体机器人多工况、多约束特点,基于五次多项式插值算法,规划了外肢体机器人单臂运动。首先根据外肢体机器人单臂连接特点,建立对应的连杆坐标系,并使用D-H参数法推导其运动学方程;通过Matlab编程,对比三次多项式与五次多项式插值算法特点与实际插值效果,最终采用五次多项式插值算法对外肢体机器人末端进行轨迹规划,完成与穿戴者的协作任务。(4)针对外肢体机器人作业任务需求,构建了外肢体机器人作业策略半物理仿真系统,完成多种作业任务仿真。通过分析系统框架,介绍了各个模块在系统操作流程中的作用,并利用RecurDyn软件,完成了辅助搬运、辅助支撑、支撑卸荷等作业任务仿真分析,揭示不同作业场景下的辅助作业机理与任务特征,对实际工程具有指导意义。

关键词：外肢体机器人动力学模型行为识别轨迹规划半物理仿真系统

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外肢体机器人研究综述

浙江大学学报（工学版） 2021年第2期55卷 251-258页

作者：刘德斌王旦陈柏王尧尧宋立瑶南京航空航天大学直升机传动技术国防科技重点实验室江苏南京210016 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027

阐述外肢体机器人(SRLs)的研究背景和研究意义.介绍外肢体机器人的概念,将外肢体机器人按照功能分为辅助操作外肢体与辅助支撑外肢体.针对不同结构类型与结构柔性的2类外肢体机器人总结研究现状.就外肢体机器人人机一体化特性带来的结... 详细信息

阐述外肢体机器人(SRLs)的研究背景和研究意义.介绍外肢体机器人的概念,将外肢体机器人按照功能分为辅助操作外肢体与辅助支撑外肢体.针对不同结构类型与结构柔性的2类外肢体机器人总结研究现状.就外肢体机器人人机一体化特性带来的结构轻量化、安全性、人机协作、抗干扰能力四方面对外肢体机器人的研究要点进行分析.对外肢体机器人未来的发展趋势进行总结与展望.

关键词：外肢体机器人人机协作辅助操作辅助支撑

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模块化可重构外肢体机器人

仪器仪表学报 2021年第4期42卷 218-227页

作者：赵思恺李长乐张宗伟赵杰朱延河哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块... 详细信息

针对单人无法独立完成的操作任务,需要额外辅助的需求,提出并研制了一种模块化、可重构的外肢体机器人,该机器人由多个结构、功能相同的基本模块单元串联组成。为了实现模块化外肢体机器人的模块连接配置与变形重构能力,分析了基本模块单元的结构、功能需求,根据需求设计了基于舵机驱动的模块单元。每个模块单元由两个楔形子模块共轴相互转动构成,形成一个转动自由度。设计了基于磁铁吸附的机械连接机构,可以实现两个模块间的快速连接与分离;提出了双排金属触点间隔错位连接方法,保证两个模块单元间实现可靠的电气系统连接。划分了双模块串联条件下4种不同的连接方位,得出了外肢体机器人的构型配置种类与串联模块个数关系。面向具有任意模块个数、不同连接方位的外肢体机器人,建立了基于虚拟转轴的模块化外肢体机器人通用正向运动学模型。对基本模块的转动能力、承载能力、快速连接能力以及外肢体机器人在焊接过程中,辅助操作人员夹持导线、递送电话等能力进行了试验,验证了所提出的新型模块化外肢体机器人的辅助能力。

关键词：可穿戴机器人外肢体机器人模块化机器人可重构机器人人机协作

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外肢体机器人的碰撞检测与响应策略研究

外肢体机器人的碰撞检测与响应策略研究

作者：白佳薇山东大学

学位级别：硕士

伴随机器人技术的飞速发展,工业机器人在智能制造领域已经得到充分的应用。但在核电运行维护、大飞机生产制造等特殊工业领域中,仍存在大量操作复杂、工作强度大、精细度和灵活性要求高的任务场景。在此类场景中,由于工作空间狭窄,大型... 详细信息

伴随机器人技术的飞速发展,工业机器人在智能制造领域已经得到充分的应用。但在核电运行维护、大飞机生产制造等特殊工业领域中,仍存在大量操作复杂、工作强度大、精细度和灵活性要求高的任务场景。在此类场景中,由于工作空间狭窄,大型机器人和设备难以发挥作用。为此研究者们提出了外肢体机器人的概念,即,机器人以背包的形式固定在施工人员背部,通过机械肢体与人类肢体的互助协作,在狭小空间中拓展单人作业能力。由于与人类用户共享工作空间,外肢体极易与身体发生碰撞,从而威胁使用者安全。在此背景下,本文以外肢体机器人为研究对象,依次针对机器人动力学建模、碰撞检测算法和碰撞响应策略等问题展开研究,并构建仿真模型。具体地,首先使用拉格朗日法建立动力学模型,并通过仿真实验验证了该动力学模型的正确性。在动力学方程的基础上,构造基于广义动量的碰撞观测器,通过关节角度角速度关节力矩估算外部碰撞力矩。然后,根据碰撞力矩判断碰撞发生在哪一杆件,并且对于发生在末端的碰撞通过静力学推导计算出碰撞力的大小。针对检测到碰撞后需要更改控制策略的情况,提出了两种不同的基于力控制的碰撞响应策略。一种是根据碰撞外力产生一个反向加速度从而逃离碰撞位置的反射控制,另一种是通过调节位置控制系统的增益实现可变刚度的柔顺控制。最后,利用RecurDyn/Colink多体动力学软件构建了末端碰撞和非末端碰撞两个机械系统,并构建外肢体机器人碰撞检测与碰撞响应仿真系统进行实验验证。经仿真模型验证:本论文提出的碰撞检测算法能够有效检测超过10N的碰撞力,检测误差在1N以内,并且在非末端碰撞的情况下可以识别碰撞发生在哪个杆件上;两种碰撞响应策略均能够在碰撞发生后1秒内做出响应,减小碰撞力,保护用户安全。本文的研究成果不仅为实现复杂作业过程中可穿戴外肢体机器人辅助操作提供了安全保障,还为今后人机交互进行辅助作业奠定了基础,应用前景广阔。

关键词：外肢体机器人扰动观测器碰撞检测碰撞响应

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可穿戴外肢体辅助机器人研制

可穿戴外肢体辅助机器人研制

作者：赵祥哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

外肢体机器人是一种新型可穿戴式机器人,可以在合适的位置和姿态上与人进行协作,辅助穿戴者完成各项操作。本文研制的外肢体机器人主要针对辅助抓取和辅助支撑两种作业方式,并能对框架式环境和人体手臂进行避障。根据两种典型的作业方... 详细信息

外肢体机器人是一种新型可穿戴式机器人,可以在合适的位置和姿态上与人进行协作,辅助穿戴者完成各项操作。本文研制的外肢体机器人主要针对辅助抓取和辅助支撑两种作业方式,并能对框架式环境和人体手臂进行避障。根据两种典型的作业方式对外肢体机器人串联和并联两种构型进行设计。外肢体机器人采用两条三自由度机械臂作为机器人的主体,利用钢丝绳进行减速增矩和跨距传动,并通过钢丝绳对机械臂大臂关节和肘关节进行耦合驱动。结合各种传感器与控制器对机器人的控制系统进行搭建。对外肢体机械臂采用D-H参数法建立运动学模型,通过坐标变换和约束方程对串联和并联模式的正逆运动学进行了求解。利用牛顿欧拉动力学方程对外肢体机械臂进行动力学分析。通过Matlab机器人工具箱对串联运动学和动力学模型进行了验证。针对框架式工作环境和人体手臂,利用球体包围盒和圆柱体包围盒对障碍物和外肢体机械臂进行模型简化。本文对人工势场法的基本原理进行了分析,根据规避动态障碍物的需求改进了人工势场法,在势场函数中引入障碍物速度因素。改进的人工势场法其斥力作用在与机械臂距离最近处,合力在关节空间内进行叠加,利用虚拟做工代替势能梯度下降对避障路径进行规划。通过虚拟目标点的方法针对性的解决机械臂陷入局部极小值的问题。综合外肢体机器人的构型与结构设计、运动学与动力学分析和避障与路径规划的研究,利用Matlab与V-rep对外肢体机器人进行仿真模拟。通过抓取作业仿真分析了外肢体机械臂的运动学和动力学性能;支撑作业仿真分析了机械臂补偿人体运动的功能;避障仿真分析了外肢体机械臂的避障可靠性。通过仿真验证的方式分析得到所设计的外肢体机器人能够满足设计要求。

关键词：外肢体机器人串并联构型钢丝绳传动避障与路径规划虚拟仿真

模块化外肢体机器人柔顺控制及其避障路径规划研究

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模块化外肢体机器人柔顺控制及其避障路径规划研究

作者：孙克瑞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

模块化机器人由多个具有相同结构和通讯方式的基本模块单元组成,具有构型灵活多变、互换性良好的特点。外肢体机器人作为一种新型的可穿戴机器人,可以通过穿戴的方式固定在使用者身上,作为额外的机械肢体协助穿戴者完成一系列复杂、高... 详细信息

模块化机器人由多个具有相同结构和通讯方式的基本模块单元组成,具有构型灵活多变、互换性良好的特点。外肢体机器人作为一种新型的可穿戴机器人,可以通过穿戴的方式固定在使用者身上,作为额外的机械肢体协助穿戴者完成一系列复杂、高强度的作业任务,具有良好的应用前景。本文将两者的概念相结合,利用一种链式构型的模块化可重构机器人组成外肢体机械臂,构成模块化外肢体机器人,使其可以灵活切换构型,具备较强的适应性。本文首先对模块化外肢体机器人构型灵活多变的特点进行分析,选用六个基本模块单元构成了一种基座端三轴线平行,末端三轴线垂直的典型构型六自由度外肢体机械臂。通过D-H参数法对该构型的模块化外肢体机械臂进行运动学建模,并对其进行了正、逆运动学的求解及验证。最后利用蒙特卡罗方法对典型构型下的模块化外肢体机械臂工作空间进行求解,并将穿戴装置和穿戴者安全工作范围考虑进去,得到了实际的模块化外肢体机器人工作空间。设计了基于位置的阻抗控制策略来实现模块化外肢体的末端柔顺控制,并针对拖动示教这一典型的柔顺控制应用场景设计了具体的控制流程。通过Simulink仿真,分析了阻抗参数对柔顺控制系统的影响。设计了末端执行器的重力补偿算法,消除了末端执行器重力对传感器读数的影响。最后通过建立人机系统全局坐标系和坐标系关系推导,实现了对穿戴者运动的补偿,消除了穿戴者运动对外肢体末端运动的影响。利用圆柱体包围盒对模块化外肢体及障碍物进行模型简化。选择人工势场法作为避障路径规划的基本算法。改进人工势场法引入目标点距离因素,建立新的势场函数,解决了远处目标点引力过大和障碍物附近目标点不可达的问题。以总势能作为指标,在关节空间中搜索最优关节角度组合,并通过设置中间路径点作为虚拟目标点的方法解决机械臂陷入局部最小值的问题。根据以上工作给出了基于改进人工势场法的外肢体避障路径规划算法流程。最后,根据方案和算法设计,搭建了模块化外肢体机器人实验平台。通过模块快速拆换实验和辅助作业实验验证模块化外肢体的基本性能;通过柔顺拖动实验验证了柔顺控制算法的正确性;通过Coppelia Sim仿真,验证了避障路径规划算法的可行性。

关键词：外肢体机器人模块化机器人运动学柔顺控制避障路径规划