机械臂与环境交互的位置/力切换抑制振动方法
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汤奇荣,男,1982年9月生,教授、博士生导师。现任同济大学中德学院副院长、中德博士生院院长、中德学部副主任(兼)、同济大学校务委员、同济大学机器人技术与多体系统实验室主任及智能无人装备团队负责人。主要研究方向为机器人与人工智能,包括集群智能与群体机器人技术、空间仿生集群智能及其行为学习、空间机器人抑振、集群灵巧抓取与操控等。讲授《机器人设计理论与技术》、《机械传动与伺服系统设计》、《机器人技术与人工智能关键基础》(全英文)、《机器人机构分析与综合》等课程。近年来负责国家和省部级各级机器人和人工智能相关项目50余项,获上海市科技进步二等奖1项(排名第一)。国家重大人才计划项目获得者、国家海外高层次人才、上海市浦江学者;某专项副总师、首席科学家、某专业组专家;中国自动化学会机器人智能专委、中国指控学会虚拟现实与人机交互专委会副主任、中国机器人年会组委、上海市机械工程学会制造技术与装备专委会副主任、特种重载机器人安徽省重点实验室学术委员。

通讯作者:

中图分类号:

TU352.1

基金项目:

国家自然科学基金资助项目(61873192);上海市“科技创新行动计划”生物医药科技支撑专项资助项目(21S31902800);中央高校基本科研业务费-上海市产业协同资助项目(HCXBCY-2022-051);上海市空间飞行器机构重点实验室资助项目(18DZ2272200);中国航天科技集团有限公司空间结构与机构技术实验室资助项目(YY-F805202210015)


Method for Suppressing Vibration During the Position/Force Switching of the Interaction Between a Robotic Arm and the Environment
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    摘要:

    当机械臂执行位置/力的混合跟踪任务时,位置控制一般用于机械臂的自由运动阶段,力控制一般用于约束运动阶段。这种位置/力切换的控制结构既能实现与环境接触前对机械臂位置的精确控制,也能保证接触后对期望控制力的准确跟踪。由于开关系统本身存在的切换不稳定性,机械臂在以一定的速度与环境接触时,机械臂执行器会在环境表面振动甚至弹跳。针对此问题,提出了一种半主动阻尼阻抗学习方法,该方法主要包含两部分:基于位置/力切换控制的半主动阻尼控制器;基于一种逆秩拟牛顿法(broyden fletcher goldfarb shanno,简称BFGS)的阻抗学习算法,根据学习到的环境参数调节半主动阻尼,实现机械臂在接触面的振动抑制和平稳过渡。在仿真及实验中,应用提出的方法让机械臂与不同环境交互,结果表明:该方法能很好地抑制接触过渡阶段的超调力,并防止机械臂在切换过程中的振动,实现了柔顺接触和平稳过渡。

    Abstract:

    When a robotic arm performs a mixed tracking task of position/force, position control is generally used for the free motion stage of the robotic arm, while force control is generally used for the constrained motion stage. This control structure of position/force switching can achieve the precise control of the robotic arm's position before contact with the environment, and ensure the accurate tracking of the desired control force after contact. However, due to the switching instability of the switching system itself, the robotic arm's actuators may vibrate or even bounce on the surface of the environment when the robotic arm contacts with the environment at a certain speed. To address this issue, a semi-active damping impedance learning method is proposed, which mainly consists of two parts: a semi-active damping controller based on the position/force switching control; an impedance learning algorithm based on a broyden-fletcher-goldfarb-shanno (BFGS) method, which adjusts the semi-active damping according to the learned environmental parameters to suppress vibration and ensure a smooth transition of the robotic arm on the contact surface. In simulations and experiments, the proposed method is applied to enable the robotic arm to interact with different environments, and the results show that the method can effectively suppress overshooting force during the contact transition stage, prevent vibration during the switching process, and achieve smooth contact and transition.

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  • 收稿日期:2023-02-01
  • 最后修改日期:2023-04-10
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  • 在线发布日期: 2023-06-29
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