答辩博士：万俊

指导教师：吴洪涛  教授/博导

论文题目：冗余机器人运动避障与无力传感器柔顺控制研究

答辩委员会：

主席：王兴松      教授/博导        东南大学

委员：谭业发      教授/博导        中国人民解放军陆军工程大学

孙 宇      教授/博导        南京理工大学

陈  柏      教授/博导        南京航空航天大学

王化明      教授/博导        南京航空航天大学

秘书：吴青聪      讲师             南京航空航天大学

答辩时间：2020年1月16日9：00

地   点：南航明故宫校区 17#-519

学位论文简介：

非冗余机器人越来越不能适用于复杂任务，而冗余机器人能够提高系统灵活性和控制性能，逐渐受到了学术界和产业界的广泛关注，而我国冗余机器人技术研究晚于国外研究，正处于追赶状态。相对传统非冗余机器人，冗余机器人是一种高度复杂的多自由度系统，理论研究方法远未成熟。为此，本文以一种七自由度机器人为研究对象，系统研究了冗余机器人逆运动学、避障、柔顺控制等关键问题，为后续冗余双臂机器人技术研究奠定扎实基础。

论文的主要研究工作包括：

1、结合加权最小二乘法(WLN)和梯度投影法(GPM)的优点，提出了一种加权梯度投影方法(WGPM)用于求解冗余机器人逆运动学问题。为了避免通过大量试验确定约束任务标量系数，确立了一种优化准则函数正则化处理原则，用于在线实时调整标量系数。在此基础上，建立了一种多层次的WGPM方法，解决冗余机器人多约束逆运动学问题。最后，通过仿真和实验进行了验证。

2、基于伪距离方法能够高效快速检测机器人与障碍物最小距离，提出了一种基于伪距离冗余机器人末端避障和零空间避障方法，赋予机器人末端沿最小距离方向的避障速度实现末端避障，赋予连杆虚拟力和本文提出的自适应阻尼控制方法，实现冗余零空间避障。最后，通过仿真进行了验证。

3、提出了一种方差标定的外力预估方法，兼顾了机器人动力学模型参数的不确定性和人施加力的不可重复性对外力预估的影响。基于提出的外力预估方法，提出了一种基于ENERGY-TANK的机器人变导纳柔顺控制方法，解决了人手臂刚度突然变大造成机器人控制系统不稳定问题，并进行了无源性证明。最后，通过仿真进行了验证。

4、提出了一种改进的DMP轨迹学习方法，基于少数的示教轨迹型值点，提高了轨迹学习收敛精度和收敛速度。针对机器人在运动过程中与环境发生较大的接触力问题，基于本文提出的方差标定外力预估方法，提出了一种基于ENERGY-TANK的机器人变刚度变阻尼导纳柔顺控制方法，自适应调整机器人末端刚度和阻尼，并对控制方法进行了无源性证明。基于局部加权回归方法对机器人柔顺控制输出的轨迹进行再次学习。最后，通过仿真进行了验证。

5、以前几章研究内容为基础，以冗余七自由度机器人为样机，对避障算法、外力预估算法和柔顺控制算法进行了实验验证。

主要创新点：

1、通过结合WLN方法和GPM方法的优势，提出了一种加权梯度投影方法(WGPM)冗余机器人逆运动学算法，能够有效地保证机器人关节远离其极限奇异状态，并提出了一种优化准则函数正则化处理原则，能够在线实时调整约束任务标量系数，可大幅度减少传统试验确定地工作量，提高了算法工作效率。

2、在机器人避障应用中，传统的欧氏距离方法需要不停地计算障碍物与机器人连杆之间最小距离，随着障碍物的数目和机器人自由度的增加，传统算法计算量逐渐增大且耗时。为了避免欧氏距离方法耗时问题，采用了伪距离方法，提出了一种冗余机器人末端避障和零空间避障算法，无需机器人主从任务转换，提高了避障效率，满足了机器人避障实时性要求。

3、鉴于传统外力预估广义动量方法依赖机器人精确模型，提出了一种基于机器人关节内部传感器信息的外力预估方法，设定机器人动力学参数误差和人手施加的力为高斯分布随机变量，采用了改进粒子群智能优化算法对动力学模型误差方差和人手施加力方差进行标定，考虑了机器人动力学参数的不确定性和人手施加力的不可重复性对预估效果的影响，提高了外力预估精度。

4、基于本文提出的方差标定外力预估方法，提出了一种机器人变导纳柔顺控制策略，保证了机器人控制系统无源性要求，实现了冗余机器人与人、环境之间的稳定交互控制，为后续冗余双臂机器人协调控制奠定了理论基础。