关键词： 抓取机器人   动力学分析   有限元分析   拓扑优化   结构设计  

摘要： 轴承环抓取机器人是轴承生产中的重要设备,其负责轴承环从放置工位到辗扩工位的搬运与装载,作为替代人力的主要物料搬运工具,其性能对轴承生产有着直接的影响,因此对于轴承环抓取机器人的运动分析以及结构优化具有重要意义。本文根据自主研发的轴承环抓取机器人运行不稳定问题,通过分析机器人运动特性,优化关键部件结构达到优化机器人运动表现的目的。首先对轴承环抓取机器人正运动学和逆运动学进行研究,并以D-H法为基础建立机器人的数学模型。然后通过MATLAB中的Robotics Toolbox应用程序,对所建立的方程进行验证。其次在MATLAB中使用五次插值多项式法对于机器人的工作路径进行规划,得出包含关节的位移、速度、加速度信息的变化曲线。使用SOLIDWORKS对模型进行调整后导入ADAMS中进行运动学以及动力学的分析,取得机器人在规定轨迹工况下的受力,力矩以及加速度变化等情况,将这些边界条件进行记录。然后分析机器人是否具有优化空间,在动力学研究基础上,对机器人的大臂进行受力分析,通过有限元软件ABAQUS的分析结果表明机器人满足工况要求且具备优化条件。最后对机器人进行结构优化,使用ABAQUS中的拓扑优化模块,所设计结构在体积简化为原有的60%的条件下,具有最小应变能。根据优化结果对机器人大臂结构进行重新设计,在相同的边界条件下进行有限元分析和动力学分析。分别对比优化前后的大臂有限元分析结果和运动表现,结果显示机器人末端执行机构在制动时的加速度以及所受力矩均减小,证明通过优化结构提升机器人工作稳定性的方法正确且有效。

关键词： 冗余双臂机器人   逆动力学建模   零力控制   协调控制   实时多任务  

摘要： 双臂机器人具有类人手臂的结构,灵活度高,并且工作空间利用率较两个独立单臂有极大的提升,故使用场合非常广泛。本文围绕机器人建模以及关节驱动力矩,系统研究了冗余双臂型工业机器人动力学建模与协调拖动控制问题。以国产自主研发的双臂机器人为研究对象,讨论并设计出基于Linux+Xenomai双内核实时多任务平台的机器人控制软件,建立了运动学以及动力学模型。首先标定出双臂基坐标系并以单臂为例建立D-H模型。引入臂角的概念,完成双臂逆运动学的求解。然后在已知机器人的工作状态（各关节角度、角速度、角加速度）下,结合牛顿-欧拉逆动力学公式,参数化空间惯量矩阵,提取出动力学方程线性回归形式对应的完整参数集。利用最小二乘法和矩阵的QR分解法简化方程,得到具有可辨识的最简参数集的单臂动力学模型。该算法极大地降低了求解动力学问题的时间复杂度,计算速度约为常规迭代算法的13倍并且通过Robot Toolbox全作用域对比校验了模型的正确性。结合冗余双臂机器人低速运行、小惯量轻型机械臂的特点,简化了复杂的动力学模型。设计实现了一种基于“对称轨迹”的快速动力学参数辨识方法,并开发出一套通用的建模工具箱,解决了单臂以及双臂机器人的动力学建模与运动控制问题。通过力矩补偿的方式实现了机器人的零力控制,一方面检验模型,同时为拖动示教服务,形成了完整的机器人引导式编程方法。设计提出了基于零力控制的协调拖动,在仅有位置约束、同时存在位置和力双重约束的情况下,设计实现了实时多任务运行架构下的双臂主从协调拖动控制系统。出于安全性考虑,设计实现了机器人碰撞预防和碰撞检测模块。最后设计双臂关节同步运动实验和协调搬运的位姿跟随实验,从协调拖动的同步性以及跟随位置的准确性两方面分别验证了协调拖动系统的有效性。而且通用型动力学建模工具箱为今后机器人运动控制提供了可参考的技术方案,降低了算法入门门槛,提高了工作效率。

关键词： 双足被动行走机器人   动力学参数   周期步态   仿真   样机实验  

摘要： 相对于传统主动双足行走机器人,被动双足行走机器人具有结构与控制简单、步态自然、能耗低等优点。这种纯被动行走机器人不需要任何电机驱动输入,其行走稳定性完全由初始条件和动力学参数决定。为了实现机器人稳定行走,动力学参数匹配问题研究成为被动行走机器人领域至关重要的课题。目前被动行走机器人参数研究大多涉及一维参数或特定离散参数组,缺少对参数协同作用的影响研究,难以充分反映被动步态演化信息,且很少有通过直接采集样机实验数据开展参数研究。本文首先给出双足被动行走机器人力学模型,分析了模型运动过程并将其单步运动分为摆动和碰撞两个阶段,利用拉格朗日方法和角动量守恒定律建立动力学方程并对方程进行了无量纲处理。其次,利用标准四阶龙格库塔法求解了定参数下被动行走机器人步态,详细分析了周期一步态中运动特性与能量变化;利用Poincaré截面法和混合步长的龙格库塔法求解了机器人稳定周期步态,讨论了一维参数,包括圆弧足半径、质心位置、转动惯量和斜面倾角变化对机器人步态的影响;利用非光滑系统的李雅普诺夫指数计算方法求解了机器人系统的李雅普诺夫指数,并对分岔动力学行为进行了验证;着重描述了二维参数平面内机器人丰富的步态演变信息,分析了参数协同作用对机器人步态的影响。然后,借助三维软件Solid Works设计了具有不同参数的机器人仿真模型,将模型导入ADAMS中,设置了合理的仿真环境并对模型进行了动力学仿真,根据仿真结果分析了圆弧足半径和斜面倾角改变对机器人运动特性的影响,同时通过将仿真结果与理论曲线对比,验证了参数变化影响的理论分析结果。最后,设计并研制了可调结构的双足被动行走机器人样机,搭建了稳定可靠的行走实验平台控制系统;为了研究圆弧足半径、转动惯量和斜面倾角改变对机器人行走稳定性与运动特性的影响,在此样机平台上开展了多组实验,一方面利用数学统计方法计算机器人成功行走占比并以此评价各参数对行走稳定性的影响;另一方面利用Qualisys Track Manager(QTM)软件和四个Oqus相机精确捕捉机器人运动轨迹并处理实验数据;结果表明,实验曲线与理论曲线基本吻合,很好地验证了理论与仿真分析的正确性。

关键词： 机械臂   动力学   PID控制   无模型RBF网络自适应  

摘要： 在实际的生产生活中,机械臂的工作环境较为复杂,高精度和快速的工况则对机械臂的工作精度、工作效率以及安全性产生较高的要求。目前,对机械臂的研究大多聚集在机械臂的运动学以及轨迹规划等方面,研究机械臂关节跟踪精度方面的资料较少。为了解决工业机械臂实际工作中的问题,本文以提高机械臂关节跟踪的精度为目的,同时对工业机械臂进行了动力学特性的研究。本文对六自由度串联机械臂的六个关节进行独立和整体控制,并对其进行控制仿真测试分析,利用李雅普诺夫稳定性判据判断控制系统的稳定性,并通过仿真验证了控制方案的有效性。本文的主要研究内容如下:以六自由度串联机械臂为研究对象,利用修改D-H参数法建立了工业机械臂的运动学模型,使用解析法求出了机械臂的运动学正解和反解,从运动学方面分析了机械臂的特性。利用Spong模型建立了柔性关节的数学模型,在考虑关节柔性的基础上,采用Newton-Euler方法以及Kane方程建立了工业机械臂动力学模型,并完成机械臂的动力学正解和反解验证,从动力学方面分析了机械臂的特性。针对工业机械臂的六个关节,设计关节空间插值曲线进行轨迹规划,并采用独立PID控制器和模糊逻辑PID控制器两种控制方式进行控制,观察两种控制器对各关节的轨迹跟踪控制效果,比较关节的轨迹跟踪精度。采用整体逼近径向基函数(RBF)神经网络自适应控制方案,设计控制律并对工业机械臂进行控制,同时经过Lyapunov方法分析了工业机械臂控制方案的稳定性和收敛性,通过仿真分析证实了本文提出的控制方案可以有效地提高机械臂各关节的轨迹跟踪精度。

关键词： 电弧增材制造   切削机器人   复合铣削加工   机器人动力学   表面粗糙度  

摘要： 近几年,电弧增材制造取得了十足发展,在船舶、航空航天、汽车制造等领域均有了大量的应用,随着国内外制造业的发展,对增材制造的零件的要求也越来越高。但是仅依靠电弧增材一种工艺难以确保成形零件的表面粗糙度达到要求,限制了其应用和发展。本文针对电弧增材制造成形件外表面存在的缺陷层,利用铣削机器人对其进行切削去除,以提高零件表面质量。本文的主要研究工作如下:(1)分析了增材制造零件表面存在的缺陷,确定了零件的加工要求,制定了缺陷层去除的加工方案,根据现有的切削加工设备,选择切削刀具和刀柄,建立机器人铣削加工系统,初步确定了加工工艺参数的范围。(2)为了获取机器人铣削加工路径,采用离线编程的方式,针对加工要求编写RAPID程序,通过轨迹仿真、关节轴配置以及碰撞检测之后确保程序的可行性,得到面向不同刀具的多种铣削加工路径,将RAPID程序导入机器人控制器后能够用于铣削加工。(3)为了使机器人在铣削过程中处于最优工作状态以提高铣削加工效率,建立铣削力模型并进行了铣削功率的校核,求解不同铣削力作用在机器人末端的力和力矩,利用牛顿-欧拉方程建立了铣削机器人动力学模型,运用逆动力学反向求解了不同路径下机器人关节力矩随时间的变化情况,确定了对机器人关节力矩影响最小的铣削加工路径,最后,为避免在铣削过程中发生共振现象,对铣削机器人进行模态分析,得到机器人的固有频率。(4)以获取在不同的加工路径下的机器人铣削最优工艺参数为目的,针对主轴转速、每齿进给量、切削深度和切削宽度四个因素分别进行单因素试验和正交试验,探究不同工艺参数对零件表面质量的综合影响,从而确定在不同加工路径下,使用不同的刀具对缺陷层去除之后零件表面质量最佳的铣削工艺参数组合。通过本文工作,确定了使用铣削机器人对增材制造零件表面缺陷层去除的加工路径和工艺参数,对提高增材制造零件的表面粗糙度和表面质量具有重要的意义与实际价值。

关键词： 手术器械   丝传动   张力传递   蠕变特性   机器人辅助微创手术  

摘要： 微创手术由于其对人体创口小、术后恢复时间快等优点,被广泛应用到外科手术中。随着机器人技术的快速发展,将机器人技术与辅助微创手术结合,机器人辅助微创手术(RMIS)应运而生。机器人辅助微创手术系统的末端执行器是手术器械,多自由手术器械使医生手术时更加灵活。为满足微创手术术式要求,手术器械轴向长度一般不低于400mm,径向尺寸一般不超过10mm,目前手术器械较多采用钢丝绳传动。丝传动的应用有利于实现手术器械轻量化设计、提高传动精度,有效提高了手术器械的功能与性能,但其特殊布局形式、负载下的钢丝绳柔性体特性、传动过程中的张力损失、工作时的高安全性及高精确性的要求为手术器械带来诸多实际应用上的难题。因此,本文对手术器械的丝传动系统的运动与力的关系进行研究,以保证手术器械末端执行器运动的精确性,具体研究内容如下:基于手术器械在人体内的工作环境、工作空间及传动精确等要求,通过比较几种远距离传动方式、丝传动构型,确定手术器械的传动系统为开环构型的丝传动系统。分析丝传动系统中滑轮轮槽形状、尺寸及钢丝绳通过滑轮的偏角的作用机理,以钢丝绳磨损最小为准则,给出了滑轮轮槽形状及尺寸、滑轮偏角的选取建议。最后通过对丝传动系统的仿真建模,分析了系统预紧力与摩擦力的关系,给出丝传动系统预紧力的选取建议。进行了钢丝绳经过导轮前后的张力比研究。根据手术器械结构特点,引入导轮与钢丝绳半径比表征钢丝绳的弯曲刚度,通过对钢丝绳与导轮接触区域与非接触区域的受力分析,得到钢丝绳经导轮导向前后的张力比计算公式。设计实验验证了应用张力比公式计算所得张力与力传感器测量所得张力较吻合。最后根据所得张力比计算公式,分析了手术器械结构参数(半径比、钢丝绳直径、包角及摩擦系数)对钢丝绳张力变化的影响,可为手术器械结构设计提供理论指导。为提高手术器械安全性及精确性,基于上一章所得的张力比公式,结合手术器械丝传动系统的结构,以弹性虎克定律为基础,建立手术器械丝传动系统的张力-位移模型,通过该模型可计算出手术器械末端小爪的输出位移及输出力矩,从而得到手术器械末端右小爪偏摆运动时的传动系统迟滞角度。最后,编写丝传动系统控制策略,利用该策略可将补偿传递系统迟滞误差,提高传动精度。进行了手术器械丝传动系统钢丝绳的蠕变特性研究。基于钢丝绳的粘弹性特性及线性特性,通过对线性粘弹性材料Maxwell模型、Kelvin模型及Burgers模型三种力学模型的分析,在Burgers模型的基础上提出新的五元素模型,根据手术器械在进行机器人辅助微创手术时丝传动系统的不同工作阶段,给出每个阶段的钢丝绳蠕变模型。设计实验测量钢丝绳的蠕变,并确定模型中的未知参数。

摘要： Traditional robots, while capable of being efficient and effective for the task they were designed, are dangerous when operating in unmodeled environments or around humans. The field of soft robotics attempts to increase the safety of robots thus enabling them to operate in environments where traditional robots should not operate. Because of this, soft robots were developed with different goals in mind than traditional robots and as such the traditional metrics used to evaluate standard robots are not effective for evaluating soft robots. New metrics need to be developed for soft robots so that effective comparison and evaluations can be made. This dissertation attempts to lay the groundwork for that process through a survey on soft robot metrics. Additionally we propose six soft robot actuator metrics that can be used to evaluate and compare characteristics and performance of soft robot actuators. Data from eight different soft robot rotational actuators (five distinct designs) were used to evaluate these soft robot actuator metrics and show their utility. New models, control methods and estimation methods also need to be developed for soft robots. Many of the traditional methods and assumptions for modeling and controlling robotic systems are not able to provide the fidelity that is needed for soft robots to effectively complete useful tasks. This dissertation presents specific developments in each of these areas of soft robot metrics, modeling, control and estimation. We show several incremental improvements to soft robot dynamic models as well as how they were used in control methods for more precise control. We also demonstrate a method for linearizing high degree of freedom models so it can be simplified for use in faster control methods for better performance. Lastly, we present an improved continuum joint configuration estimation method that uses a linear combination of length measurements. All these developments combine to help build the "fundamental engine

关键词： 铝锭铸造   工业机器人应用   打渣工序   动力学分析   轨迹规划  

摘要： 有色金属材料是国家经济发展过程中重要的基础原材料,金属铝用途广泛,目前已经成为现代经济发展的基础材料,在国民经济建设中占有举足轻重的地位。铝锭在浇筑过程中会产生浮渣,需要及时清除,打渣工序是金属冶炼过程中的重要工序。人工打渣时存在高温液体飞溅、爆炸、防护不利等安全隐患。工业机器人能够代替人工在高温、噪声和危险的环境中工作,研究自动化的打渣机器人系统代替人力对于企业安全生产及降低成本具有重大意义。实际生产中的打渣工序,铸模运动速度较快,因此,如何使机器人快速、有效地完成自动化打渣任务是研究的重点和难点,轨迹规划可以使机器人在作业时避开障碍,完成工作任务的同时优化运动路径,减少作业工时,提高打渣效率。因此,打渣机器人的轨迹规划研究意义重大。本文以打渣机器人末端渣铲的运动轨迹为研究对象,对该机器人本体的运动学、动力学进行了分析,对渣铲的轨迹规划与优化做出了研究。针对某电解铝生产企业使用的自动打渣机器人,分析了其自动化打渣作业平台结构及主要组成部分。并且规划了机器人的基本任务及工作路径。针对打渣机器人本体进行了运动学建模及仿真分析。采用改进后的D-H参数法建立机器人的正逆运动学方程。利用联合仿真技术,对打渣机器人工作过程进行了仿真验证。利用拉格朗日法和仿真软件,构造打渣机器人虚拟样机,对打渣机器人的动力学建模分析及仿真验证。根据打渣机器人的工作过程,采用五阶插值法,对打渣机器人的工作路径规划做出了优化。进行可视化模拟仿真技术,验证对比了优化前后的机器人的运动轨迹。优化后的工时缩短了1.2s,整体打渣速率提高了13%左右,提高了工作效率,降低了企业的生产成本。

摘要： Educational robotics is an innovative approach to teaching and learning a variety of different concepts and skills as well as motivating students in the field of Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. This especially applies to educational robotics competitions such as, for example, the FIRST LEGO League, the RoboCup Junior, or the World Robot Olympiad as out-of-school and goal-oriented approach to educational robotics. These competitions have gained greatly in popularity in recent years and thousands of studentsEducational robotics is an innovative approach to teaching and learning a variety of different concepts and skills as well as motivating students in the field of Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. This especially applies to educational robotics competitions such as, for example, the FIRST LEGO League, the RoboCup Junior, or the World Robot Olympiad as out-of-school and goal-oriented approach to educational robotics. These competitions have gained greatly in popularity in recent years and thousands of students participate in these competitions worldwide each year. Moreover, the corresponding technology became more accessible for teachers and students to use it in their classrooms and has arguably a high potential to impact the nature of science education at all levels. One skill, which is said to be benefitting from educational robotics, is problem solving. This thesis understands problem solving skills as engineering design skills (in contrast to scientific inquiry). Problem solving skills count as important skills as demanded by industry leaders and policy makers in the context of 21st century skills, which are relevant for students to be well-prepared for their future working life in today's world, shaped by an ongoing process of automation, globalization, and digitalization. The overall aim of this thesis is to try to answer the question if educational robotics competitions such as the World Ro

关键词： 全向移动平台   模块化机械臂   全向移动操作机器人   运动学   动力学   移动操作协调规划  

摘要： 本文提出了一种由基于主动万向脚轮驱动的全向移动平台与基于一体化关节的轻量化机械臂组成的模块化全向移动操作机器人系统,可以通过配置合适的脚轮数量与机械臂构型满足多样性任务需求,同时系统具有的全向移动能力可以使其在拥挤狭窄的环境下灵活安全作业,特别适合柔性制造与人机共融的应用场景。本文针对模块化移动操作机器人的设计、建模分析以及移动-操作协调规划等方面,展开了系统的研究工作,为全向移动操作机器人的深入研究及应用奠定了基础。本文的主要工作与贡献可以总结如下:1)以搭载轻量化操作臂的模块化全向移动操作机器人为对象,以图论、李群及螺旋理论为基础,提出了一种不依赖整体构型的运动学自动建模方法。对模块化机械臂采用装配关联矩阵对其构型进行数学表达,并利用基于微分流形和李群的局部指数积方法对其进行运动学建模;对模块化全向移动平台采用向量形式表达脚轮的数量与安装位置,通过并联机器人运动学理论建立了全向移动平台的运动学模型,最后基于全向移动平台与机械臂的装配关系获得了系统整体的运动学模型。该建模方法不依赖于系统整体构型,输入机械臂的构型与各脚轮模块的安装位置信息,结合机械臂关节模块、连杆模块和脚轮模块的设计参数即可自动生成相应的运动学模型。根据获得的运动学模型,分析了全向移动平台在不同的驱动模式下存在的奇异性的问题。2)基于递推的牛顿欧拉法以及并联机构动力学分析方法提出模块化全向移动操作机器人不依赖整体构型的动力学自动建模方法。针对全向移动平台的并联机器人结构,采用拉格朗日法对脚轮模块进行动力学建模并将其转化为任务空间描述形式,使用AOM(augmented object model)方法将所有脚轮模块与平台模块的动力学模型整合并生成系统任务空间动力学模型。针对机械臂的串联机器人结构,基于递推的牛顿欧拉法提出了受全向移动平台运动影响的机械臂动力学自动建模方法,并且分析了全向移动平台与机械臂之间动力学耦合问题。该动力学建模方法不依赖移动操作机器人整体构型,根据机械臂关节模块、连杆模块和脚轮模块的动力学参数,即可自动生成系统的动力学模型。3)基于运动学约束分析提出了一种由约束参数构成的无内力脚轮驱动力分配模型。冗余驱动的全向移动平台在运动中可能产生内力,导致运动性能下降,为了避免运动中内力的产生,通过分析系统运动学约束提出了一种参数化的无内力脚轮驱动力分配模型,该方法不受脚轮个数与安装位置的限制,适用于模块化全向移动平台。与传统内力分析获得的结果不同,该模型由约束参数构成并且不是唯一的,因此在保证运动中不产生内力的同时,还可通过参数调节对全向移动平台动力学性能进行二次优化。4)针对全向移动平台冗余驱动的特点,提出了一种基于能量消耗最优的脚轮关节力矩分配方法。通过理论建模结合实验数据拟合的方法,建立了系统整体的能量消耗模型并将其转化为关于脚轮驱动力矩的函数。结合机器人动力学约束,提出了一种改进的梯度投影法在零空间内对脚轮驱动力矩优化。仿真算法表明,机器人在复杂轨迹中可以降低11%的最大驱动力矩,同时降低7%的能量消耗。5)提出了一种主动万向脚轮驱动的全向移动平台的归位轨迹算法。为了提高系统的定位与运动控制精度,全向移动平台需要自动归位,即各个脚轮的转动关节从无序状态回归零位。由于存在并联机构约束,各脚轮无法独立归位。本文提出了一种关节空间的轨迹规划方法,首先通过运动学分析建立了一个描述机器人归位趋势的性能指标函数,将关节空间任务转化为操作空间任务,进而提出了一种基于速度最优的归位轨迹规划方法,可以使移动机器人在满足关节力矩极限与地面牵引力条件下从任意关节空间姿态回到零位状态。6)根据移动操作机器人两个子系统运动特性差别大的特点,提出了一种针对不同任务定义的移动-操作协调运动规划策略,以逆运动学优化求解的方式将任务分配给机械臂与移动平台。建立了一个基于任务权重的优化目标函数并且采用差分进化算法进行优化求解。计算结果表明,在满足一定操作度的约束下,当任务定义为以操作为主时,可以主要通过机械臂的运动到达目标点,而当任务定义为以移动为主时,可以主要通过移动平台的运动到达目标点。以受到移动平台动力学耦合影响的机械臂为对象,采用了一种基于数值积分方法的时间最优路径参数化方法对其进行轨迹规划。