关键词： 四足机器人   腾空动力学模型   落地支撑动力学模型   运动控制  

摘要： 步足式移动机器人相较于传统的轮式以及履带式等移动式机器人对非结构化环境具有更强的适应能力,但其系统复杂,在目标移动速度方面尚未达到传统轮式以及履带式等移动机器人的移动速度,出于真实背景对步足式移动机器人速度的需求,在保证步足式机器人对非结构化环境适应能力基础上如何提高其移动速度成为研究热点之一。本文以步足式移动机器人家族中的代表即四足式移动机器人为研究对象,结合仿生学原理,从四足机器人整机实现高速奔跑目标出发分析得到四足机器人实现高速奔跑关键在于其单腿运动性能,单腿运动性能与其结构参数和控制策略密切相关。从分析四足机器人运动特点出发,将四足机器人奔跑过程分解为单腿腾空运动相和单腿落地支撑运动相。根据是否考虑液压缸和活塞杆质量,分别建立腾空简化动力学模型和腾空动力学模型,分析液压缸和活塞杆质量在单腿腾空运动相下对液压缸出力的影响。在腾空简化动力学模型基础上,结合单腿运动学,提出一种基于动力学模型优化的足端轨迹生成算法,结果表明该算法生成的轨迹可有效减少单腿腾空运动相下液压缸的出力,为单腿腾空运动相控制提供了基础。根据是否考虑液压缸和活塞杆质量,分别建立单腿落地支撑运动相下简化动力学模型和动力学模型,分析液压缸和活塞杆质量在单腿落地支撑运动相下对液压缸出力的影响,为液压缸出力设计提供一个较为准确的结果,并且结果表明单腿在大负载下落地支撑运动中液压缸和活塞杆质量影响不可忽略,同时为单腿落地支撑运动控制提供基础。基于腾空动力学模型和落地支撑动力学模型给出单腿的运动控制算法,为验证算法的有效性,使用ADAMS软件搭建了单腿虚拟样机,使用SIMULINK搭建了运动控制算法,使用ADAMS和SIMULINK联合仿真手段实现单腿目标速度的控制,初步验证本文所提单腿运动控制算法的有效性。

关键词： 柔性铰   变刚度   拉格朗日法   刚柔耦合   运动控制  

摘要： 随着社会的发展,各行各业对于机器人的需求越来越明显,对机器人各部件的性能要求越来越高,在对机器人进行研究的过程中需要考虑的因素很多,有些柔性问题解决起来比较困难。传统意义的机器人建模已经完全不能满足这个高速发展的时代,对于机器人各种操作要求的高精度、高速度、低负载等情况分析,带来的结果误差很大,而很多例如航空航天、新兴行业以及精密仪器的制作等等都不允许实际工作中出现误差,必须控制在极小的范围内,因此对于机器人柔性的研究就显得更加重要。本文利用拉格朗日方法对考虑柔性效应的柔性铰机器人进行动力学建模,充分考虑了柔性铰机器人杆件的拉伸、弯曲、弯曲变形在轴向产生的耦合变形以及高速运动下产生的动力刚化项,所得模型能够适应大部分柔性机器人的运动分析。针对于目前出现的种种智能材料,提出了变刚度柔性铰的概念,用c语言编制了一套适用于柔性机器人动力学分析的程序软件,通过算例分析变刚度柔性铰对系统运动的影响,着重分析了铰柔性对于机器人运动的影响,为了方便后面讨论变刚度柔性铰在某种程度上能够辅助调控机器人杆件末端的运动,从而为逆运动学提供一种新思路,本文分别研究了柔性铰扭转刚度、杆端集中质量、驱动力矩改变的情况下机器人柔性对机器人运动的影响。最后用一算例验证了变刚度柔性铰的控制作用。

关键词： 消防机器人   动力学分析   ADAMS仿真   液压驱动系统   样机试验  

摘要： 消防人员的人身安全问题因高危复杂的火灾现场变的日益严峻,而消防机器人的研发与应用可替代消防人员进入火灾现场实施侦查、灭火等作业,提高了消防部队的消防效率和实战能力,对保障消防员的人身安全具有重要作用。本文首先通过对新型消防机器人的功能要求与技术性能指标进行分析,在确定总体设计方案的前提下,对履带式消防机器人的整机系统和底盘结构优化设计进行了深入研究。对优化后的履带底盘在平地行驶、转向、爬坡越障等工况下进行动力学建模与数值求解,并基于虚拟样机技术,运用ADAMS对底盘行走装置在各工况下的运动特性进行了动力学仿真分析,验证理论计算数据。依据理论分析与仿真结果,运用ANSYS对关键零部件进行有限元分析,验证底盘结构设计的合理性。以消防机器人的行驶性能要求为基础,提取动力学仿真参数,对消防机器人驱动系统进行设计计算,利用AMESim对驱动系统在各种工况下进行动态特性仿真,通过仿真分析,掌握不同工况下液压驱动系统的动态特性,验证驱动系统设计的正确性,并为消防机器人的液压驱动系统的进一步研究及整机试验提供参考。最后根据新型消防机器人设计方案对样机进行试制,结合仿真数据设计履带底盘性能试验方案,对样机在各种工况下进行行走性能与驱动性能试验。试验结果表明所研制的新型消防机器人整机性能达到技术要求的设计目标,满足实际应用,并为消防机器人的进一步研究提供理论与试验参考。

关键词： 机器人   运动学   动力学   轨迹规划   对偶四元数   子问题  

摘要： 随着科技的发展,机器人已经广泛运用于各个领域中。在完成工作任务时,机器人的工作精度是影响机器人工作质量的重要指标之一,所以建立精准的运动学和动力学模型是机器人高质量完成工作任务的基础。基于此,本文对基于对偶四元数的机器人动力学建模及轨迹规划研究的课题做出了研究,研究了以对偶四元数为数学工具的机器人运动学、动力学建模方法,并在此基础之上对机器人做出了轨迹规划研究。本文的主要研究内容及工作如下:首先,利用对偶四元数表示螺旋运动简便的特点,基于对偶四元数探讨了多自由度机器人的正运动学建模方法并与指数积公式建立机器人运动学模型做出了比较;针对逆运动学,总结研究了所有现有的逆解子问题类型,并对逆解子问题中参考点选择,距离不变原则做出了深入探讨,对于关于两轴逆解子问题的拓展形式做出空间内线面交点的分析,针对机器人关节变量不易组合问题,将现有的逆解子问题总结归纳,并提出了一种基于对偶四元数的分类方法,为机器人逆运动学提供了一种可分解算法。其次,在达朗贝尔原理的基础上提出了一种基于对偶四元数及凯恩方程的动力学建模方法。结合对偶四元数描述螺旋运动的过程推导了机器人雅克比矩阵,并结合应用到凯恩方程中的伪速度,定义了主动力对偶四元数、惯性力对偶四元数、偏速度对偶四元数、广义主动力及广义惯性力,简化了动力学建模过程。然后,结合对偶四元数的机器人正运动学建模进行在关节空间内的机器人轨迹规划,同时也将子问题求逆解的方法与机器人笛卡尔空间内轨迹规划结合,完成了机器人关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划。为实现机器人的位姿控制,提出了一种基于对偶四元数的误差控制模型,利用广义比例控制率对机器人的位姿进行控制。最后,对一个三自由度机器人进行了动力学实验,仿真与实验结果证明动力学建模方法是有效的。对一个四自由度机器人的关节空间内和笛卡尔空间内轨迹规划做出了仿真与实验,实验结果证明以对偶四元数为基础的机器人正运动学建模和以逆解子问题为基础的机器人逆运动学求解方法有效。

关键词： 球形机器人   轨迹跟踪   动力学模型   双幂次趋近律   扩张状态观测器   自适应高阶滑模控制  

摘要： 由于运动灵活、在滚动过程中不会翻倒及结构简单等特点,球形机器人在工业、生活等领域都有很好的应用前景。对球形机器人进行运动控制,是完成任务的前提,然而在运动过程中,球形机器人独有的点接触特性,增大运动控制器的设计难度。轨迹跟踪问题是在实际应用范围最为广泛的运动控制问题,因此对球形机器人的轨迹跟踪控制器进行研究具有重要的理论意义和应用前景。本文的研究工作围绕球形机器人的轨迹跟踪问题展开,重点解决摩擦、驱动电机、参数不确定性等因素对轨迹跟踪控制的影响,建立球形机器人系统的数学模型,设计轨迹跟踪控制器,提高系统轨迹跟踪精度。论文的主要研究工作如下:1、采用Kane方法,推导出球形机器人的动力学模型,为后续控制策略的研究提供了重要的理论依据。2、针对采用动力学模型描述的球形机器人系统,对轨迹跟踪控制问题进行了研究。基于双幂次趋近律对滑模动力学力矩控制器进行设计,使得球形机器人系统无论从任一起始位置出发,到达滑模面的收敛速度高于常见的传统趋近律(指数趋近律等)。该控制策略保证了系统能够在固定时间内跟踪上期望轨迹,实现了抑制系统抖振的目的,且提高控制精度。3、考虑到摩擦对球形机器人运动特性及轨迹跟踪性能带来的影响,根据不基于摩擦模型的补偿思想,首先设计了扩张状态观测器,该观测器能够保证全局有限时间稳定;然后采用双幂次趋近律设计了基于扩张状态观测器的滑模力矩控制器;最后,进行了对比仿真分析。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制器能够快速估计并利用系统摩擦信息,从而降低摩擦的影响,提高系统的稳定性,实现对期望轨迹的跟踪。4、为提高轨迹跟踪性能,在球形机器人动力学模型的基础上进一步考虑电机特性及系统不确定性的影响,以电机电压作为控制输入,设计了自适应高阶滑模电压控制器,以满足球形机器人的高精度轨迹跟踪要求。最终的仿真表明,所采用的控制器能够实现系统有限时间跟踪上期望轨迹,保证系统输入的连续性,有效抑制系统抖振。

关键词： 机器人学   碰撞预测   碰撞逃离   BP神经网络   KNN聚类  

摘要： 本论文的背景产品是X射线数字减影医疗器械,是一款基于X射线曝光,通过实时成像,对血管进行介入手术的一款产品,其主要应用于心脑血管疾病、肺癌治疗栓塞术、心电除颤等,是血管介入治疗最为主要的医疗器械。实时控制系统,犹如人体大脑,是整个设备的核心功能,它实时监控并协调各个模组工作,其中的碰撞控制系统是必不可少的功能需求,它直影响医生手术操作体验。它的主要功能是实时检测系统相对空间位置的碰撞状态,设定系统的安全策略,以保证医生操作者的使用安全。传统的碰撞控制方法是使用复杂的静态数据加上复杂的运动学变换和空间几何距离运算得到系统实时的碰撞状态。传统方式对实体模型的依赖以及对硬件性能的高要求约束了系统的升级和发展。传统方式的复杂性也使且其改进的空间非常有限。本论文提出了一种基于机器学习的方法来实现对运动碰撞的控制。具体方法是以机器人各个轴数据和相关空间参数为特征维度,通过机器学习的分类方法建立学习模型,得出机器系统碰撞状态类别。同时结合实际应用中的运动逃离碰撞问题,根据机器运动中的碰撞特性,设计新的预测模型,将分类问题转变为逻辑回归问题,通过对最短距离的预测,来实现碰撞逃离策略。对于分类器的设计,论文提出了用BP神经网络和KNN聚类两种方法来进行实验对比分析。实验中还根据实际应用问题的综合分析来进行分类器的优化和调试,包括机器机械结构的校准差异问题、数据集多样性问题,空间位姿范围覆盖问题以及不同碰撞距离范围的设定对应用的不同意义和对分类结果影响的分析等。对于碰撞逃离预测的设计,论文通过遗传算法优化BP神经网络的初始权值和阈值来进行对比实验,找出最优的并适用于实际应用的网络设计。实验结果表明,本论文提出的方法,大大缩短了碰撞状态运算时间,且该方法简化了软件系统工程,提升了稳定性,保证了质量的同时也降低了维护成本。其长远的意义在于人工智能技术的发展给机器人技术应用带来了未来无限发展空间的可能,让人类医疗器械技术更进一步。

关键词： 机器人竞赛   应用型人才   培养  

摘要： 随着科技的发展和进步,以机器人为代表的自动化技术在工业领域和生活领域都有着广泛的应用。从机器人的发展来看,机器人技术属于一种跨学科、跨专业的综合性内容,因此,机器人技术可以作为一种重要的教学方式,用于学生综合应用能力的培养。尤其是目前社会对于技能型人才和创新型人才的需求越来越大,通过机器人竞赛的方式,可以培养学生的创新能力、团队合作能力、计算机技术运用等综合技能。本文主要探讨如何通过机器人竞赛培养应用型人才。

关键词： 江苏省南京市   小学信息技术   公开课   信息技术学科   优秀指导教师   鼓楼区   机器人竞赛  

摘要： 刘映川,江苏省南京市人,1991年12月出生,中共党员,2013年6月江苏师范大学教育技术专业毕业,学士学位,8月参加工作。现任南京市力学小学信息技术老师,大队辅导员,鼓楼区中小学机器人教学中心组成员,江苏省信息技术教研工作室成员,南京市鼓楼区优秀青年教师,鼓楼区优秀教育工作者。现获得中国计算机学会颁发的CCF NOI指导教师资质。

关键词： 在线开放课程   浙江省   机器人竞赛   人工智能   核心课程群   浙江大学城市学院  

摘要： 从人工智能技术的定义、内涵以及应用出发,结合浙江大学城市学院自动化专业特色,以自动化专业的核心课程群作为切入点,研究人工智能技术在自动控制系统中的应用,初步探索了人工智能技术在自动化专业核心课程群各门课程中的应用点。以《电机与拖动》浙江省高等学校精品在线开放课程为例,以引导性项目为抓手,深入探索以电机为控制对象、人工智能技术为控制方法的闭环系统构成、特性仿真分析以及各种智能控制算法对最终控制效果的影响。借助自动

关键词： 机器人教育   想象力   敏感期   人工智能   逻辑思维能力   教育家   机器人学   教育理念  

摘要： 机器人教育的兴起教育的服务链很长,但面向学生的能力提升是所有参与者——教育从业者、学生和家长都极为关注的。学生作为教育服务的主要目标,其群体数量庞大,但个体的能力与性格迥异,在现有的、以公立教育为主体的体系下,统一教学的模式难以深入认知每个学生的特性与差异,因而也无法切实有针对性地提供更有效的教学。如何对学生因材施教,进行个性化的分析,对应有效的教学提升,是学校和家长最为关