关键词： 张拉整体   机器人   动力学分析   运动轨迹规划  

摘要： 机器人技术自从上世纪中叶诞生之后就受到人们的重视,进入21世纪之后,各行各业对于机器人的应用越来越多,机器人技术被认为是对未来发展最重要的技术之一。而张拉整体结构由于自身的特点,十分具有与机器人结合的潜力,在一些对人类有危险的场景下,张拉整体结构与机器人技术的结合有着非常理想的应用远景。本文在原来的四杆张拉整体机器人的研究基础上,对驱动方案进行了筛选,并且对四杆张拉整体机器人完成了动力学模型的建模,提出了一种新的控制运动方向的驱动方案,进行了仿真分析,改进了实体样机并完成了实验。具体的研究内容如下:首先提出了四杆张拉整体机器人的多种驱动方案,主要分为斜索驱动、对角索驱动、杆驱动以及杆索混合驱动。通过分析实际情况排除了两种不符合实际应用需求的驱动方案。然后通过软件仿真,对剩余的每种驱动方案的可行性与合理性做了探讨,并且最终确定了几种满足使用要求的驱动方案。其次对四杆张拉整体机构进行理论分析,通过坐标变换将四杆张拉整体机构由底面着地的姿态变为侧面着地。然后通过拉格朗日动力学方程对四杆张拉整体机构建立了动力学模型,通过Matlab编程对建立的拉格朗日动力学方程进行求解,得到了对角索驱动时机器人的临界翻转条件。接着通过仿真软件对之前确定的驱动方案进行了仿真,并且比较了不同的驱动方案对四杆张拉整体机器人翻转后姿态的影响。结合已经研究过的驱动方案,提出了一种新的四杆张拉整体机器人驱动方案,并且通过软件仿真总结出4种不同的方向控制步态。然后利用不同步态的组合完成了四杆张拉整体机器人到达三个不同目标位置运动过程的仿真。最后对四杆张拉整体机器人的试验实体样机进行了改进和实验。改进了使用的电机、弹簧,控制器选择了基于Arduino开发平台的控制板,编写了控制程序。然后对样机进行了实验,使样机顺利运动到目标位置,验证了理论的正确性。

关键词： 焊接机器人   刚柔耦合   动力学   动态特性   精度测量  

摘要： 随着现代化矿井采煤装备往大型化、自动化方面发展,焊接机器人成为煤矿机械装备制造“无人工厂”的新“工人”,与此同时对煤矿焊接机器人提出了高效率、高精度、适应性快、匹配度高和寿命长的产品性能要求。液压支架作为典型的综采装备,主要是由焊接成形的复杂箱型结构件组成,其特点是内部焊缝密集,以短距离、立体式交叉焊缝为主,多为三维直线和少量的弧线。传统手工焊接因为频繁的引弧、收弧,尤其遇到难以到达的狭小空间时,很容易造成虚焊和漏焊。为了保证焊接机器人在复杂工况下拥有更高精度,减小静态和动态误差,对其进行动力学和动态特性的分析研究是十分必要的。焊接机器人通常是多自由度、强非线性和刚柔耦合的多体系统。其结构的动力学性能是保证高质量完成复杂箱体结构焊接功能的关键,焊接机器人动力学研究同时还关系到正逆运动学,动态特性,结构强度和多体柔性动力学及控制方面的问题,成为众多国内外学者研究的热点。本文以SR165通用焊接机器人为研究对象,以分析影响焊接机器人焊接精度的因素为目的,通过阅读相关文献并总结近几年工业机器人、焊接机器人方面的研究现状,借助现有计算机虚拟仿真、数学建模和数值仿真等相关的技术,开展运动特性和动力特性方面的研究,对提高焊接机器人产品性能具有理论和工程意义。主要研究工作如下:基于运动学理论,建立位姿误差模型,根据实况分析了焊接机器人运动误差的来源。采用D-H参数法建立SR165机械臂的正逆运动学数学模型,并在此基础上建立机器人位姿误差模型。基于SR165焊接机器人六自由度串联关节式和腕部Pieper结构,选择代数解法进行逆运动学数学模型求解并获得雅克比矩阵。借助MATLAB工具箱对正逆运动学进行还原,控制面板的虚拟仿真验证了正逆运动学数学描述的正确性,并结合液压支架焊接机器人的焊接任务特点规划焊接路径,模拟40s从空间B点(1.985,-0.780,0.733)到C点(1.985,0.769,0.733)(单位/m)的直线焊接过程,获得机械臂的运动特性曲线,描述了直线焊缝仿真过程中各个关节角度位移、角速度和角加速度,以及各个关节力矩的变化情况。基于运动学模型,运用“小位移摄动法”建立结构参数位姿误差模型。在位姿静态误差研究的基础上,对大臂进行静力学分析,分析SR165机械臂在极限平衡位置时,获得大臂的变形误差。大臂是承载并传承力的关键部件,立式六自由度串联结构的缺点是变形误差会传递给末端焊枪从而影响焊接精度。以水平放置为极限位置,对SR165机械臂进行静力学平衡分析,获得临界边界条件。根据大臂真实的工况,添加约束情况分为预紧力作用和理想固定边界两种。首先添加预紧力约束,获得大臂最大变形位移0.217mm,大臂b端A点最大变形位移值为0.1686mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移0.5536,大臂最大等效应力出现在大臂侧面和b端圆孔处,为11.06MPa;理想固定约束下,大臂最大变形位移0.4612mm,b端A点最大变形位移值为0.3817mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移1.2535mm,大臂最大等效应力41.114MPa出现在大臂a端圆孔处。由此可知极限位置状态下,当有预紧力时,SR165机械臂的静态误差在误差允许范围内。大臂材料球墨铸铁的屈服强度为365MPa,对应的许用应力为121MPa。大臂最大等效应力为41.114MPa,完全可以满足静态结构强度。根据不同启动惯性力对大臂进行静态特性分析,可以确定大臂的静态强度是足够的。对比分析大臂在预应力作用下的固有频率,可知预应力对大臂刚度矩阵的影响很小,通过大臂的有限元模态分析,为之后连杆柔性刚柔耦合系统的动力特性研究提供了条件。除了静态误差之外,动力特性对动态误差的影响不容忽视。结合结构动力学和多体柔性动力学理论,主要从关节和连杆的柔性角度分别对SR165机械臂建立两个刚柔耦合系统进行动力学分析。关节柔性-连杆刚性刚柔耦合系统的研究从柔性关节等效弹簧替换开始,推导了空间三连杆柔性关节系统的动力学方程。采用Euler-Bernoulli梁为等效模型进行柔性梁动力学研究。根据弹性理论和连续介质理论对柔性梁的刚性大范围运动的小变形进行物理描述。对旋转梁采用假设模态法离散横向变形和纵向变形,计入横向变形导致纵向变形压缩的非线性耦合项。采用混合坐标法和第二类拉格朗日公式推导动力学方程。在平面旋转柔性梁系统动力学研究的基础上,推导出中心刚体-柔性梁系统的动力学方程,并深入考虑到末端质量的转动惯量,以及它对系统动力学模型的贡献,进一步推导了中心刚体-柔性梁-末端质量系统的动力学方程。方程包含了三种形式,旋转柔性梁系统的结构动力学模型(无大位移);系统的一次刚柔耦合动力学模型(大位移运动);以及系统的近似一次刚柔耦合动力学模型(大位移运动)。焊接机器人结构理论上的描述和动力数学模型的建立,为虚拟仿真

关键词： 清理车机器人   NOC机器人竞赛   智能环保   城市垃圾  

摘要： 在社会不断发展和人民生活水平日益提高的同时,以生活垃圾为首的'城市公害'使得环境问题愈发凸显,引起全球性的广泛关注.随着其产量的剧增和成分的日趋复杂,其危害越来越严重.为了缓解垃圾污染给城市生态文明造成的负面影响,世界各国都在致力于垃圾的综合治理和回收利用,智能机器人逐渐进入人们的视野.作为新时期的一名高中生,我深知环境保护和可持续发展的重要意义,也希望为生态环境保护尽自己的微薄之力.鉴于此,我将结合自身参加NOC机器人智能环保竞赛的活动,谈谈科技与环保的关系以及智能机器人在垃圾处理方面的科技展望,让我们的生活更美好.

关键词： 阿西莫夫的教诲   机器人学三法则   人类与机器人的关系   人类中心主义  

摘要： 阿西莫夫的机器人学三法则并非法律,更非法律原则或者法律规范,而是建立人类与机器人关系的伦理原则,体现了在机器人发展给人类带来难以清楚预估的影响面前突出和保障人类个体乃至人类整体的安全的优先价值。阿西莫夫透过机器人学三法则的警告和教诲在今天并未过时,而是应当成为在人工智能发展面临革命性突破的今天创制规范人工智能研发、资助、产品制造、商业化与应用等方面的人类与机器人关系中的伦理规范和法律规范的基础。没有安全保障的发展,难谓真正的有意义的发展。重申人类尊严和安全的优先价值,重新确立人类中心主义的伦理与立法价值,并不是不合时宜的。

关键词： 中学机器人竞赛   创新   探索  

摘要： 中国青少年机器人竞赛活动是为了培养青少年创新能力开展的一项活动。在机器人竞赛中学生们通过对日常生活的观察,再结合已经学习过的知识,寻找一个完美的解决方案。这是一项深受广大青少年喜爱的活动,这个活动不仅可以培养学生的创新能力,而且还具有很强的趣味性,所以学生们都很愿意参加这个活动。本文将提出几点在中学机器人竞赛方法中的思考。

关键词： 位置分析   奇异性   可达工作空间   转动惯量   驱动力矩   驱动能耗   Matlab  

摘要： 随着机器人学科的发展,科学家们提出了一种既具有串联机器人工作空间大也具有并联机器人的负载大、运动精度高特点的混联机器人。并逐渐成为当下研究的热门。3-RRR-P型混联机器人是一种新型混联机器人,其在3-RRR并联机构的基础上增加了一个纵向的单自由度串联机构,增加了3-RRR并联机构的工作空间,使其可以三维空间上进行作业。同时还增大了负载。本文主要研究内容如下:(1)使用pro/e软件对3-RRR-P型混联机器人进行三维建模,先是对并联机构进行了结构设计,让动平台的外接圆半径大于静平台的外接圆半径,并在静平台外接圆圆心位置开一螺纹孔,用来装配串联机构螺杆。当串联机构和并联机构设计好之后,设计机架,然后进行装配。(2)对3-RRR-P型混联机器人先进行位置分析,使用几何法求出3-RRR-P型混联机器人的运动学方程,得到了3-RRR-P型混联机器人并联机构输入),,(321ααα与输出),,(θppYX之间的关系,结合3-RRR-P型混联机器人的运动规律,可知其输入与输出之间的关系即为3-RRR-P型混联机器人的雅可比矩阵。通过雅可比矩阵的求解,得到3-RRR-P型混联机器人的奇异位姿。选择一种最优工作模式,使用三维搜索的方法,得到3-RRR-P型混联机器人在定姿态下的可达工作空间。最后使用MATLAB对3-RRR-P型混联机器人的速度、加速度进行了仿真。(3)在3-RRR-P型混联机器人运动学分析的基础上,求出了各连杆以及动平台的质心坐标和转动惯量,使用拉格朗日法对3-RRR-P型混联机器人驱动力矩进行求解,得到了各机构的驱动杆的驱动力矩以及驱动能耗,使用MATLAB编程对无负载时3-RRR-P型混联机器人的驱动力矩和驱动能耗进行仿真,同时使用MATLAB编程对负载时3-RRR-P型混联机器人的驱动力矩和驱动能耗进行对比仿真。可以明显发现在有负载时,驱动力矩和驱动能耗较无负载时有着明显的增大现象。(4)在3-RRR-P型混联机器人运动学和动力学分析的基础上,提出了三种可能有广阔应用前景的工业用途,3-RRR-P型混联机器人在搬运危险用品、微动平台、铣曲面等有着广阔的应用前景

关键词： iiwa机器人   参数辨识   阻抗控制   参数调制  

摘要： 目前随着工业上对自动化效率要求越来越高,一方面要求进一步提高传统工业机器人的速度和精度;另一方面希望扩大机器人的应用范围至诸如装配、人机协作等接触型操作任务中。对于前者,通过参数辨识的方式获取可以准确描述机器人模型的动力学参数至关重要,因为由机器人动力学引起的振动、摩擦、惯性力等限制了机器人误差的进一步降低以及机器人速度的进一步提高,而要想解决该问题必须首先获取准确的机器人动力学参数,进而在获取的机器人动力学参数基础上研究基于模型的控制算法,对于限制误差降低和速度提高的因素进行状态反馈补偿;对于后者,需要基于参数辨识获取的准确动力学参数,研究针对在操作过程中有接触力产生时的控制策略——接触力控制策略。首先针对上述第一个问题,本文以KUKA LBR iiwa 14 R820七自由度机器人为研究对象,基于给出的机器人运动学、动力学基本理论,建立了其运动学和动力学模型和用于参数辨识的逆动力学数学模型;接着针对iiwa给出了动力学参数辨识基本流程:重点针对参数辨识算法和最优“激励”轨迹的获取做了相应研究工作;然后按照给出步骤通过实验数据采集、实验数据处理、辨识参数计算获得了iiwa的动力学参数;再者通过直接实验验证和交叉实验验证证实了辨识出的参数的准确性。其次针对上述第二个问题,本文重点讨论了iiwa机器人阻抗控制功能,由于该接触力控制策略在应用于实际接触控制操作中存在控制器参数选择困难的问题,主要是由于在机器人接触操作中使用阻抗控制器时,实现尽可能高的位姿跟踪精度和实现尽可能小的关节力矩突变之间存在权衡,所以如何调节参数获得所需的位姿跟踪精度和可容忍的关节力矩突变很重要。本文基于上述辨识出的机器人动力学参数,进行了阻抗控制器的搭建,为阻抗控制器参数调制选择提供了平台。本文针对iiwa机器人所辨识出的动力学参数经试验验证具有高度的准确性,并且基于辨识出的参数本文进行了阻抗控制器的设计搭建,通过对比搭建的接触力控制型的阻抗控制器参数调制的结果,为在接触操作中使用阻抗控制器的参数调制选择提供了平台。

关键词： 变结构机器人   非完整约束   动力学模型   车厢结构  

摘要： 本文的研究对象是一款变结构轮式机器人,通过结构变换成三种不同的结构:自行车、Segway和三轮车。根据不同的工作环境和需求转换到相应的工作模式。本文针对该机器人的结构设计,运动特性,动力学模型以及控制策略等方面进行了研究。首先,本文对自行车、Segway和三轮车的结构和运动特性进行了分析,对比异同并基于切换需求设计了变结构轮式机器人的机械结构。在基于无滑动摩擦的前提下,对变结构轮式机器人的运动特性进行分析,根据不同的运动特性得到自行车模式,Segway模式与自行车模式与Segway模式之间的切换过程的非完整约束。基于Kane方法建立了变结构机器人处于自行车模式、Segway模式以及两种工作模式之间的切换过程的动力学模型。在动力学模型的基础上,本文基于平衡点附近的近似条件将变结构机器人在自行车模式的非线性动力学模型线性化,并设计了PID控制器。本文使用Matlab中的Simulink模块对设计的控制器进行了平衡控制仿真。从仿真结果可以看出,设计的PID控制器可以实现机器人的前车叉转角、前车轮转角角速度以及横滚角的控制。最后,在比较了三轮车、Segway和自行车之间运动特性的差异后,设计了一款防侧翻的车厢结构,使得三轮车运动具有自行车运动的特点。自行车后轮的接地点类似于一个铰链,直行时车架不会左右晃动,在转向时车架可以倾斜一定角度。基于自行车接地点的类铰链原理,在三轮车厢接点处设计一个铰链,可以实现与自行车运动类似的特性。在直行时调整铰链角度保持车厢竖直,在转向时调整车厢偏转,实现类似于自行车的乘坐体验。

关键词： 机器人竞赛   现状   问题  

摘要： 中小学机器人竞赛极大地丰富了信息技术教育内涵,其挑战性、操作性、创新性及其团队合作等特定,符合中小学生的价值需求.本文对该项活动在辽宁省开展对近四年情况进行梳理与分析,阐述该项活动开展的具体情况及重要价值,并提出对进一步将中小学电脑制作活动引向深入的对策措施.

关键词： 气动力估算模型   动力学模型   仿鸟腿式步行机构   能效性分析  

摘要： 经过大自然长时间筛选与进化,鸟类获得了优秀的飞行能力。小型扑翼飞行机器人继承了这种能力,其飞行模式多种多样并可自由切换,飞行机动性极强且气动效率高,具有传统飞行平台不具备的多种优点。因此小型仿生扑翼飞行机器人的研究工作具有极其重要的意义。本文首先简单综述了国内外扑翼飞行机器人的研究发展现状,重点从机械工程学科角度出发,阐述并分析了扑翼飞行机器人设计中涉及到的技术重点与难点。在此基础上对小型扑翼飞行机器人的未来技术发展方向进行了思考,做出展望。作为完整的仿生机器人,期望实现飞行与步行两种运动模式,于是研究了仿鸟腿式步行机构,提出了一种轨迹生成机构与位移放大机构组合的仿鸟腿式步行机构并进行了机构尺寸综合。利用优化设计的方法求解了与给定理想轨迹匹配程度最高的机构设计参数。通过ADAMS动力学仿真,证明了该机构可有效地在平缓地面上快速行走。其后分析了扑翼结构与其产生气动力的机理。根据二维稳态流体力学仿真得到的多种翼型升/阻力系数数据,运用条带理论求解了局部稳态气动力,然后积分局部气动力求解出了机扑翼整体气动力。建立了扑翼运动与气动力产生的实时关系。为后续扑动机构动力学分析、飞行器稳定性控制做好了准备。之后针对一种扑动机构,在构建扑动机构的运动学、动力学模型的基础上,分析了关节刚度与力矩波动程度的关系,进一步分析了力矩波动、电动机平均驱动功率、有效功率与总功率比值三者关系,证明了弹性元件可有效提高机构的能效性。最后根据鸟类结构与仿生统计规律制作了实验样机的零部件,完成了实验样机的组装与初步测试。评价了 3D打印工艺在样机制作中的效果。