关键词：人机协作机械臂;;阻抗特性示教;;表面肌电信号;;变阻抗控制
摘 要：相对于传统工业机器人,人机协作型机器人具有良好的自主性和柔性操作性能,能够与人共融、协作完成复杂任务。面向柔性操作任务,单纯的轨迹示教不能够满足阻抗变化的需求,本课题以人机协作技能传授为背景,基于人手臂sEMG信息建立手臂末端阻抗模型,并且依据该模型将人对人机协作过程中阻抗变化的判断映射到机械臂的变阻抗控制模型,从而实现轨迹和阻抗参数共同示教,提高人机协作完成复杂柔性作业任务的性能。首先,对iiwa人机协作机器人的运动学进行分析。采用D-H法建立机器人连杆坐标系,根据坐标转换矩阵推导机器人正运动学方程;并且,采用微分变换法推导了机器人雅克比矩阵,采用逆雅克比矩阵实现笛卡尔速度向关节速度转换,从而完成机器人逆运动学解算;利用MATLAB Robotics Toolbox工具箱建立虚拟仿真环境进行运动学仿真验证。并对iiwa机器人工作空间进行评估,为人机协作过程中可操作空间提供理论依据。其次,对基于sEMG人体上肢末端阻抗估计进行研究。建立上肢末端刚度模型,分析上肢末端刚度大小、方向等属性。在表面肌电信号的采集及预处理基础上,建立基于sEMG的上肢末端刚度估计模型;通过实验对上肢末端力映射T_F和力映射零空间肌电信号向上肢末端刚度映射ψ两个模型参数进行辨识,从而建立基于sEMG信息的手臂末端刚度模型。再次,对基于sEMG的变阻抗控制展开研究。建立基于sEMG的变阻抗控制架构以及参数映射准则;根据人-机阻抗物理与数学模型,仿真分析阻抗参数对控制性能的影响;对力信号进行重力补偿与滤波算法研究;进行力的随动性能验证实验与基于sEMG变阻抗控制器性能验证实验,为下一步基于sEMG的人机协作柔性示教实验奠定基础。最后,搭建人机协作变阻抗实验平台,包括硬件系统和软件系统搭建;并且设计复杂轨迹跟踪实验和柔性作业复现实验两个典型实验。验证本文提出的基于sEMG信息的人机协作机械臂变阻抗示教的可行性,并且对其性能进行评估。
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