Position and force control of coordinated multiple arms

A technique is presented for controlling multiple manipulators which are holding a single object and therefore form a closed kinematic chain. The object, which may or may not be in contact with a rigid environment, is assumed to be held rigidly by n robot end-effectors. The derivation is based on setting up constraint equations which reduce the 6×n degrees of freedom of n manipulators each having six joints. Additional constraint equations are considered when one or more degrees of freedom of the object is reduced due to external constraints. Utilizing the operational space dynamic equations, a decoupling controller is designed to control both the position and the interaction forces of the object with the environment. Simulation results for the control of a pair of two-link manipulators are presented     

Virtual Reality-based Teleoperation with Robustness Against Modeling Errors

This article investigates virtual reality (VR)-based teleoperation with robustness against modeling errors. VR technology is an effective way to overcome the large time delay during space robot teleoperation. However, it depends highly on the accuracy of model. Model errors between the virtual and real environment exist inevitably. The existing way to deal with the problem is by means of either model matching or robot compliance control. As distinct from the existing methods, this article tries to combine model matching and robot compliance control. On one hand, the status of the virtual robot is corrected by using the position sensor data from robot joints before and during teleoperation, and the pose of the virtually manipulated object is obtained with visual recognition technology. On the other hand, compliance control algorithms of impedance control based on joint torque sensors and hybrid position/force control based on a wrist sensor have been executed in order to eliminate the small sustaining model errors. A VR-based teleoperation system of satellite on-orbit self-serving is built up. In order to verify the proposed method, an experiment deploying the solar panel troubled by malfunction is carried out through teleoperation. It shows that the large model errors are removed with the model matching method and the adopted compliance control is robust against the remaining small model errors.     

Human characteristics of pair assembly work in a microgravity environment

This research focuses on analyzing the human characteristics of pair assembly work in a microgravity environment. To obtain the necessary data, two groups of test subjects participated in an experiment in a pseudomicrogravity environment, and how such factors as work allotment, sizes of assembled objects, and conditions of parts influence the work efficiency were studied. The results show when the assembled object is smaller that it is easier to change the object's position and that workers can move it to an appropriate site and work easily. If the assembly object is attached to an object with very large mass, the work allotment does not result in a difference in work time. As for positioning the objects, step-saving processes can shorten the work time. For instance, if a part can be put so that both ends automatically touch the proper spots, time can be shortened.     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法

为校正中机身壁板由于重力和调姿内力产生的变形，提高中机身壁板装配调姿精度，提出了一种基于力位协同控制的装配调姿方法。通过将调姿机构等效为并联机构，推导了调姿机构的解析正反解模型；根据螺旋理论，建立了力传感器测量值与重力、调姿内力之间的映射关系，实现重力补偿值的动态计算，基于局部刚体-弹性连接假设，通过多元线性回归方法构建了调姿内力转化为位置补偿量的模型；根据Clamped-Free变形协调原理，简化了定位器调姿内力之间的协调关系，在此基础上提出了重力前馈补偿和调姿内力转化为位置补偿的力位协同控制策略，并对其进行了理论分析与设计。最后，对所提出的控制策略进行了仿真分析，结果表明采用力位协同控制方法，调姿定位精度提高35.3%，调姿内力降低77.8%，通过应用实验，说明了该方法的可行性和有效性。     

结构参数对拦阻钩碰撞反弹动力学影响分析

针对新型舰载机拦阻钩设计初期技术人员关心的拦阻钩结构参数的选型问题,以某拦阻钩为研究对象,基于刚体碰撞理论建立了拦阻钩碰撞反弹动力学模型,研究了拦阻钩碰撞反弹的动力学特性。通过拦阻钩碰撞反弹试验对碰撞模型进行了参数修正,分析和对比了不同缓冲器安装形式下拦阻钩碰撞反弹特性,论述了重心位置、缓冲器油孔半径和初始压强对拦阻钩反弹动力学性能的影响,最后提出了一种拦阻钩缓冲器结构参数优化设计方法并进行了参数优化。结果表明：Ⅱ型缓冲器安装形式更优;随着拦阻钩重心位置距上铰接点长度增大,弹跳高度增大,缓冲器作用力减小;随着缓冲器油孔半径增大,弹跳高度增大,缓冲器作用力减小;初始压强增大,弹跳高度减小,缓冲器作用力增大。     

机器人力/位并环混合运动学分析研究

提出用大系统理论进行复杂的机器人力控制研究,介绍了与之相应的智能力／位并环控制新策略,针对力控制中未知环境约束运动的特点,详述了力控制大系统智能新策略中核心：根据腕力传感器输出的三维力,考虑摩擦力的影响,推导了动态求解机器人终端与环境接触点的法向--力控方向和切向--位控方向的公式,从而建立了基于力反馈的运动学模型,有效解决了长期遗留的未知环境约束运动中的难题。     

捕获轨迹系统并联机构地面标定方法

捕获轨迹系统（CTS）是一种先进的预测外挂物投放轨迹的试验系统，普遍采用六自由度（6-DoF）串联机构作为其运动机构，串联机构因惯性力大和关节累积误差大使其定位精准度不足。相比串联机构，并联机构具有惯性力小和关节误差不累积等优点。采用6-PTRT并联机构作为CTS试验系统的六自由度运动机构，在空间受限的风洞环境中对CTS并联机构进行地面标定：提出动平台位姿的测量和计算方法，建立包含直线驱动平台安装夹角修正的标定模型，并基于非线性最小二乘法辨识结构参数。辨识后CTS并联机构的位移定位准度优于0.1 mm，姿态定位准度优于0.05°，最后以CTS并联机构和常规攻角机构进行8#标模的对比风洞试验。风洞试验结果表明，CTS并联机构的风载定位准度满足测力试验精准度要求。     

结冰环境下结冰/除冰过程的气动参数测量实验技术

采用结冰风洞实验方法,在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段对圆柱模型的结冰/除冰过程进行了气动参数测量实验。建立了电加热圆柱模型和适合低温高湿环境的五分量外式微量天平,获得了结冰气象环境下圆柱模型结冰/除冰过程的气动力/力矩随时间的变化规律。喷雾对载荷和动压的影响可以忽略,单位时间内模型受到喷雾的最大水平力、最大动压增量分别为0.6%和0.2%。基于结冰风洞低温高湿环境的测力实验技术可以捕捉结冰/除冰过程的气动力/力矩变化。结冰过程中,圆柱模型阻力系数随时间不断增大,呈现出近似线性增长趋势,而升力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数的变化可忽略不计。除冰过程中,前缘冰壳滑动改变了姿态,会造成阻力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数等迅速变化,其对气动性能的影响难以预测。      

High-precision pose measurement method in wind tunnels based on laser-aided vision technology

The measurement of position and attitude parameters for the isolated target from a highspeed aircraft is a great challenge in the field of wind tunnel simulation technology.In this paper,firstly, an image acquisition method for small high-speed targets with multi-dimensional movement in wind tunnel environment is proposed based on laser-aided vision technology.Combining with the trajectory simulation of the isolated model, the reasonably distributed laser stripes and selfluminous markers are utilized to capture clear images of the object.Then, after image processing,feature extraction, stereo correspondence and reconstruction, three-dimensional information of laser stripes and self-luminous markers are calculated.Besides, a pose solution method based on projected laser stripes and self-luminous markers is proposed.Finally, simulation experiments on measuring the position and attitude of high-speed rolling targets are conducted, as well as accuracy verification experiments.Experimental results indicate that the proposed method is feasible and efficient for measuring the pose parameters of rolling targets in wind tunnels.     

Impact vibration reduction for flexible manipulators via controllable local degrees of freedom

When performing operation tasks, the interaction between a flexible manipulator and a grasped object usually results in an impact. In this paper, a new way is suggested to alleviate impact vibration of a flexible manipulator via its structural characteristic when capturing a moving object. Controllable local degrees of freedom are introduced to the topological structure of the flexible manipulator, and used as an effective tool to combat impact vibration through dynamic coupling. A corresponding method is put forward to reduce impact vibration responses of the flexible manip- ulator via the controllable local degrees of freedom. By planning motion of the controllable local degrees of freedom, appropriate control force can be constructed to increase the modal damping and stiffness and eliminate the exciting force simultaneously, thereby reducing impact vibration responses of the flexible manipulator. Simulations are conducted and results are shown to prove the presented method.     

石英挠性加速度计标度因数受气压影响分析

石英挠性加速度计是惯导产品的核心器件之一,主要敏感载体运动中的加速度,为系统提供位置信息.加速度计具有力学敏感特性,其测量精度易受环境因素变化的影响.针对加速度计在不同地域测试时标度因数发生较大变化的问题,分离了加速度计异地测试过程中的时漂、温变、形变等多个环境因子后,提出了造成加速度计异地标度因数改变的主要原因是环境气压发生了较大变化.根据石英挠性加速度计的基本原理,结合加速度计检测质量摆的具体受力情况,对气压变化造成加速度计标度因数改变的机理进行了详细分析,给出了标度因数随气压变化的相对变化理论计算公式,经过验证试验,实测情况与理论分析结果一致,可以为石英挠性加速度计的优化改进提供参考依据,具有一定的工程应用价值.     

基于分岔理论的起落架撑杆式锁机构设计

提出了运用分岔理论研究锁机构性能问题的分析方法，以前起落架上下位一体式锁机构为对象，基于分岔理论，通过数值延拓，研究了收放作动筒和解锁作动筒对该机构稳定性能的影响，阐释了锁机构运动分岔图中分岔点与上锁、解锁行为的对应关系，并分别针对上、下位解锁过程按照不同解锁力共划分了5种锁机构解锁状态。论述了延拓解锁、上锁分岔点得到的轨迹曲线，并根据曲线临界尖点定义了临界解锁力和临界解锁角度2个状态变量，随后分析了弹簧刚度、原长和安装点位置对以上变量的影响趋势。基于影响分析结果，在锁机构上锁能力一定的前提下，改变参数，优化了下位临界解锁力。研究表明，分岔分析能够快速全面地把握锁机构动力学特性随不同参数的变化趋势，在分析锁机构性能、指导参数初步设计方面有一定优势。     

全齿轮系的三维有限元循环对称及接触应力分析

本文首次以完整的减速器齿轮系作为有限元应力分析对象。利用齿轮系的循环对称性取其一个基本段作为计算模型,同时还考虑了啮合齿牙间的接触传力。所考虑的载荷即有扭矩又有离心力。通过一次分析可获得整个齿轮系各部位的应力。      

基于逆系统方法的多输入多输出非高斯驱动信号生成

多输入多输出(MIMO)振动环境试验是振动试验的新方法,该方法比传统的单输入单输出(SISO)方法更真实地模拟了结构在实际工作下的振动环境。传统随机振动试验的频域方法所模拟的是平稳高斯信号,但是实际振动环境往往是超高斯的,且超高斯激励和高斯激励对结构的损害差异很大,因此对MIMO超高斯振动环境试验的研究十分重要。驱动信号的产生是振动环境试验的关键。提出一种基于逆系统的MIMO超高斯驱动信号生成方法。首先,根据给定的响应参考功率谱密度(PSD)和参考峭度值采用相位调节法生成参考响应超高斯伪随机信号;其次,利用逆系统方法生成超高斯伪随机驱动信号;最后,对伪随机驱动信号进行时域随机化处理得到超高斯真随机驱动信号。对一根两输入两输出的悬臂梁模型进行了仿真验证,结果表明,采用本文方法所得到的驱动信号加载在梁上后,其输出响应谱与给定参考谱之间的误差完全满足工程中常用的±3 dB的要求,而且峭度也与给定的参考值十分接近,证实了所提方法的有效性。     

机器人系统的动态混合力/位置控制的几何原理

基于在位形空间中受约束系统的几何性质,对机器人系统的运动及所受的约束力进行研究。通过引入法空间及切空间的概念,实现了机器人运动及力的解耦控制,从而简化了控制系统。通过对双臂机器人系统的位置/力动态混合控制的数字仿真,说明本方法简单、可行。     

航天继电器推力杆位置的优化分析

航天继电器的可靠性直接影响航天整机的可靠性，分析并研究航天继电器推动杆的优化位置是进行航天继电器可靠性设计的重要环节。以往人们对航天继电器磁系统、簧片系统做了很多研究工作，但在推动杆位置方面的研究工作很少。提出了一种分析航天继电器推动杆优化位置的方法，即从电磁力、电磁力矩、电磁力做功、位移等四方面，研究直簧系统推动杆的最优位置。研究结论可用于指导航天继电器的参数优化设计、可靠性设计及整体装配调试。     

单目相机物体位姿估计方法研究

现有的机器视觉通常以边缘轮廓和角点作为特征,因此要求背景单一,对环境结构化依赖程度高。为了拓展机器人的应用范围,使其脱离结构化的环境,提出了一种基于SIFT特征点和PNP技术的单目相机估计目标物体位姿的方法。以BumbleBee双目相机为硬件基础,以C++为开发平台,结合了Eigen计算库、OpenCV图像处理库和Triclops库,开发了单目视觉位姿估计算法,实现在复杂背景下对表面纹理较为丰富的物体的位姿估计。利用试验对所提方法进行了验证,试验结果表明,该算法具有较高的估计精度,可以作为机器抓取的依据。     

高精度电磁标定力数值模拟及实验研究

高精度电磁标定力源是微推力测量系统的重要组成要素之一。为了获得性能优良的电磁标定力,本文综合采用数值模拟及实验测量两种方法分析研究了线圈和永磁铁相对位置变化时,磁铁几何尺寸对电磁力输出特性的影响：对于直径较大、厚度较小的永磁铁而言,其电磁力随相对位置的变化会存在极值,且极值点附近的电磁力具有较好的稳定性和一致性。根据电磁力变化趋势特性,提出了线圈和永磁铁相对基准中心（极值点）位置的高精度设置方案,且基准中心位置附近的电磁力变异系数可达0.00252,为高性能电磁力的获得提供了基础。最后,确定了大直径永磁铁+线圈组合型电磁力产生装置,并基于拟合方法建立了一定包络区间内的高精度电磁力控制关系式,其拟合曲线的估计标准误差约为0.0137,为微推力测量台架的标定提供了理论指导和技术支持。     

基于 FNN 机器人擦洗玻璃的力/位并环控制

对机器人的力反馈、主动柔顺控制和模糊神经网络进行了综合研究,提出了力/位并环控制策略,建立了相应的模糊神经网络结构,实施了力/位并环控制算法,在AdeptThree精密装配机器人进行了试验,取得了满意的效果。