机械臂碰撞检测与响应策略及柔顺控制算法研究

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1、硕士学位论文机械臂碰撞检测与响应策略及柔顺控制算法研究RESEARCHONROBOTARMCOLLISIONDETECTIONANDRESPONSESTRATEGIESANDCOMPLIANCECONTROLALGORITHMS王彬峦哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文机械臂碰撞检测与响应策略及柔顺控制算法研究硕士研究生：王彬峦导师：金弘哲副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24

2、2.3U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONROBOTARMCOLLISIONDETECTIONANDRESPONSESTRATEGIESANDCOMPLIANCECONTROLALGORITHMSCandidate：WangBinluanSupervisor：AssociateProf.JinHongzheAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：Scho

3、olofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要协作型机械臂已逐渐成为研究的热点。人机协作的研究正向能够应对复杂多变的操作环境发展，这对机械臂的安全性提出了很高的要求。为了在保证安全的前提下进行人机协作，机械臂必须具有对外部物理碰撞的感知和响应能力，同时具备对外部作用力准确识别的功能。目前大部分的研究都是基于力传感器实现对外力的检测，且市场上的轻型协作机械臂大多配备了高性能的扭矩传

4、感器，这使得机械臂的成本大幅上涨。若实现无传感器的外部碰撞检测和外力感知功能，将能够显著降低协作型机械臂的制造成本。目前具有代表性的无传感器碰撞检测算法是基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法，该算法可以对外部扰动力矩进行快速准确地跟踪。本文对该算法进行了仿真分析，并构建了考虑电机惯量及摩擦阻尼得扰动观测算法，实现了利用电机电流命令估计外部扰动力矩的功能。实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应功能。针对机械臂的人机协作功能，本文利用将外部扰动力矩估计值映射至关节空间轨迹命令的思想，通过将扰动力矩估计值映射至关节加速度命令，构建了惯性可调的柔顺控制算法，使控制算法在人机协作过程中呈现

5、出惯性特性，并可通过调整参数，改变惯性大小。本文还通过将扰动力矩估计值映射至关节速度命令的方法，构建了阻抗可调的柔顺控制算法，在人机协作时，柔顺控制算法呈现出阻抗特性，并可通过调节算法参数，改变阻抗大小。利用该思想设计的柔顺控制算法的优点是，不需要更改机械臂伺服控制算法，在轨迹规划层实现了机械臂的人机协作功能。为验证本文提出的算法有效性，设计了二自由度机械臂实验平台。并在平台上分别利用扭矩传感器测得关节力矩作输入，和利用电机电流命令映射得到的电机侧力矩作输入，实现了基于广义动量扰动观测器的碰撞检测算法。并基于两种方式，进行了碰撞检测及响应策略实验，惯性可调柔顺控制实验和阻抗可调

6、柔顺控制实验。依靠电流命令实现了无传感器的机械臂碰撞检测及响应和柔顺控制。并且对利用电流命令实现以上算法与利用扭矩传感器实现的性能进行了比较，提出了不足和改进空间。关键词：扰动观测器；碰撞检测；碰撞响应；柔顺控制；惯性可调；阻抗可调I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractCollaborativemanipulatorshavegraduallybecomearesearchhotspot.Theresearchofhuman-machinecollaborationisdevelopingtowardsdealingwiththecomplexoperatingenv

7、ironment,whichputshighrequirementsonthesafetyofmanipulators.Inordertoperformhuman-machinecollaborationonthepremiseofsafety,themanipulatormusthavetheabilitytoperceiveandrespondtoexternalphysicalcollisions,andhavetheabilitytoidentifyexternalforcesacc