面向端持任务的末端稳定性控制和力控制方法研究

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如用托盘端茶等端持任务,是最常见的双臂协调任务形式之一,其末端的稳定性受到机器人动作的影响。当机器人运动加速度过大时,会导致所端持的物体发生侧滑现象,使末端失稳,任务失败。因此增强末端的抗干扰能力、提升末端的稳定性是有必要的。针对端持粗糙物体的情况,本文设计了末端姿态优化控制算法,减小了所端持物体发生侧滑的可能性;针对端持光滑物体的情况,本文设计了末端平衡恢复算法,使端持的物体能够在初始位置附近保持动态平衡。为了更好的进行端持任务,本文还进行了末端接触力控制方法研究。具体研究内容如下:首先,针对端持粗糙物体的情况,选取托盘平面法向量和双臂对托盘作用力之间的夹角作为评价末端稳定性的稳定裕值,并计算相应的稳定裕度;在此基础上,实时计算控制转轴,并通过阻抗模型规划控制转角,使末端趋近最佳姿态,以减小所端持物体和托盘之间的摩擦力,增加末端的稳定性。当所端持物体较为圆润光滑时,物体容易受到外部扰动而离开初始位置。针对这种情况,以双臂用托盘端小球为例进行分析。通过末端力传感器测量结果计算小球在托盘上的位置和速度,并对位置和速度信号进行滤波处理;以处理后的结果为输入,托盘控制转角为输出,设计平衡恢复控制器,使小球在初始点附近保持动态平衡;之后进行了仿真实验,仿真结果验证了算法的正确性。然后,为了更好的进行双臂协调操作,需要对机器人末端接触力进行控制,防止因初始位置误差导致双臂之间的预紧力过大或过小,影响任务的完成。通过实验,选出综合性能较好的卡尔曼滤波算法来对力传感器测量结果进行处理;在推导了末端执行器重力补偿和传感器零漂补偿公式后,对阻抗控制算法的参数和稳态误差进行了分析,并根据其不足提出积分阻抗控制算法;为了增强算法的响应速度,提出变系数积分阻抗控制算法,并将其应用于双臂协同力控;之后通过仿真实验验证了算法的有效性。最后对算法进行了实验和仿真验证,包括末端执行器重力和传感器零漂标定实验、阻抗控制实验、积分阻抗控制实验、变系数积分阻抗控制实验、双臂协同力控制实验、末端姿态优化控制实验和末端平衡恢复控制仿真实验。实验结果验证了算法的正确性和有效性。
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