关键词： Vision   Grand Challenges   Robotics   Self-driving car  

摘要： Vision and robotics has the well-defined goal of meeting or exceeding human-level capabilities in perception, locomotion, and manipulation. Not surprisingly, that is perhaps easier said than done. Beginning in the 1970s, the Defense Advanced Research Projects Agency started the ambitious Imaging Understanding program that would continue for more than 20 years. The Imaging Understanding program began with fundamental research and slowly evolved into a host of more applied efforts with specific systems goals. Robotics programs followed a similar arc as the early research-oriented programs generated capabilities from which practical systems could be built. A culmination of the vision and robotics research was the Defense Advanced Research Projects Agency Grand Challenge, which turned the impossibility of a self-driving car into an imminent reality. This article tells the story of how some of the modern-day technologies we enjoy today trace their evolution from research sponsored by the Defense Advanced Research Projects Agency over the last 40 years.

关键词： 摆线轮修形   传动精度   刚柔耦合  

摘要： RV减速器作为工业机器人核心零部件,具有减速比范围大、传动精度高、传动回差小、传动效率高、结构紧凑和承载能力强等独特优势。本文建立考虑RV减速器零部件误差特征的传动精度静力学解析模型和考虑零部件弹性变形的刚柔耦合动力学仿真模型。论文的主要内容如下:⑴.从几何学的角度研究了RV减速器的结构及运动。对RV减速器的结构组成及其特点、减速比进行分析;建立摆线针轮共轭啮合模型,得到摆线轮精确齿廓方程、啮合线轨迹等轮齿参数;分析摆线轮齿廓修形方式,得到修形齿廓方程以及齿间间隙;建立RV减速器的三维结构模型。⑵.从静力学的角度研究了RV减速器的传动精度解析模型。描述了系统等价力学模型的构建过程;基于误差分解原理,建立各零部件变形协调方程,列出物理方程和力平衡方程,组建系统传动精度力学方程组;介绍了各轮齿啮合刚度和轴承支撑刚度的计算方法。⑶.研究了RV减速器传动精度解析模型的求解方法。提出含有误差的摆线针轮多自由度多齿啮合模型求解算法;分析了针齿几何误差对摆线针轮传动精度、双向回差等性能的影响;将摆线针轮力学模型求解算法运用在RV减速器传动精度解析模型中,得到RV减速器系统传动精度、各零部件受力情况等关键性能指标。⑷.研究了RV减速器各个误差因素对传动精度的影响。首先针对无误差模型进行传动性能分析;然后针对第一级渐开线齿轮误差、曲柄轴误差、摆线轮误差、针齿误差和行星架误差分别进行了分析与讨论;最后研究了各种修形方法产生的齿间啮合间隙对传动精度的影响。⑸.从动力学角度研究了RV减速器刚柔耦合动力学动态特性。首先介绍了含有柔性体的多体系统动力学理论;然后利用Abaqus建立摆线轮、曲柄轴和针齿壳等柔性体的模态中性文件,利用Adams建立RV减速器刚柔耦合多体动力学仿真模型;最后分析了RV减速器动力学动态响应特性。

关键词： 码垛机器人   柔性动力学分析   Hamilton原理   图论法  

摘要： 随着技术的不断发展,人已成为现代物流中不可或缺的一部分.机器人的动力学分析,对提高机器人动力学性能,改善其工作效率至关重要码垛机器.针对铝锭连铸生产线上的4自由度码垛机器人,首先对柔性关节模型进行描述并通过图论法分析其结构,给出了确定其准确的结构模型的方法.其次从Hamilton原理出发推导动力学方程,通过龙格-库塔法对动力学方程求解.结果表明,在大负载、高速的工作状态下其小臂关节的变形对码垛机器人的末端精度将产生重大的影响,载荷的冲击是造成关节变形的主要因素.

关键词： 数学原理   机器人学   理论发展   应用研究  

摘要： 从学科之间关联性的角度来分析,数学是其它学科的前提和基础,要想进行其他学科的研究,首要就是要学好数学.而当前机器人学的发展和进步更是需要数学在其中发挥推动作用,先进的数学分析工具和研究思路可以为当今时代机器人学的发展以及相关技术的进步注入强大的动力.数学发展过程中形成的先进理论如坐标系等,会在机器人学的研究和深入发展过程中得到有效的应用.同时,机器人学理论的发展需要建立数学模型进行研究.因此,本文针对数学原理在机器人学理论中的应用进行了分析,以促进学生认识到数学在学科学习中的作用,促进学生学习兴趣提升.

关键词： 深海爬行机器人   履带   越障运动   动力学仿真   运动控制  

摘要： 深海探测依赖水下机器人技术,随着科学技术与装备的发展,人类有能力对深海展开更多的探索。在当今的发展趋势下,对水下机器人提出了能够适应复杂海底情况、可高效、长期、精细作业等新要求,而传统的水下机器人难以满足。因此,小巧、灵活、低成本的小型海底爬行机器人得到了重视与发展,为深海探测作业提供新型装备与技术支持。本文的研究内容来源于国家重点研发计划“深海多位点着陆器与漫游者潜水器系统研究”的课题二“漫游者潜水器技术研究”。漫游者机器人是3000m级的小型深海爬行机器人,采用履带行驶系统,通过摆臂机构提高适应性和越障能力,搭载于多位点着陆器,能够在海底长时间、区域性精细作业。本文围绕漫游者机器人的爬行机构,研究了履带摆臂模块的工作机理、越障能力,通过动力学仿真完善理论分析,并根据深海环境的特点和作业需求,研制了高效、稳定的运动控制系统。本文的主要研究内容如下:(1)结合漫游者机器人的特点,分析摆臂的运动机理,求解摆臂长度与角度的关系,并给出了补偿凸轮的具体设计参数。基于压力下陷模型,研究履带和摆臂在海底的软质土壤中运动情况,为仿真与试验提供理论依据。(2)对机器人的越障运动控制展开研究,基于动力学条件和地面牵引力模型,对小台阶和大台阶越障过程中的关键阶段进行分析,制定了具体的运动策略。(3)利用RecurDyn多体动力学仿真软件,建立行走和越障的仿真模型,验证摆臂机构设计参数的正确性,研究不同工况下的行走性能、不同台阶的越障能力。(4)搭建机器人的运动控制平台,完成硬件电路的设计与软件程序的编写。通过压力试验、水下试验,测试了机器人的性能,模拟真实的应用场景,进行水下联合作业试验,验证了理论分析的合理性和控制系统的可行性。

关键词： 码垛机器人   结构设计   有限元分析   优化实验  

摘要： 目前,我国在对厢式货车的袋装货物装卸和码垛,大部分还是靠人工来完成,这样既降低装、码的效率,还增加了劳动成本;水泥的搬运,环境较恶劣,人工来搬运,有害身体健康,而且容易发生危险,由于传统的码垛机器人不适用于厢式货车的搬运码垛,所以对传统的码垛机器人进行设计改造,设计了两种码垛机器人。首先,了解明确了码垛机器人的工作环境并进行码垛机器人的性能参数设计,对码垛机器人各部分结构型式、驱动方式和传动方式进行了初步选型;在进行结构设计时,对码垛机器人A和B在工作过程中存在的结构问题和安装问题等细节进行了方案解决;介绍了末端执行器的结构形式和工作原理;各部分组合连接完成两种码垛机器人整体结构方案;最后完成了码垛机器人的驱动系统包括液压缸、气压缸、电机和减速器的选型计算工作。其次,在设定了码垛机器人的工作过程和轨迹路线的前提下,进行运动学仿真可以得出了码垛机器人末端执行器位移和速度曲线,各驱动关节力矩和功耗情况,伸缩臂、移动臂及机械手的受力情况,通过查看曲线的平滑或突变来验证运动平稳性、得出最大力矩和功耗数据是否小于第二章的选型计算结果验证电机和减速器是否满足工作要求、得出受力情况为静力学分析提供数据准备。然后,通过静力学分析得出承受最大等效应力值来验证码垛机器人强度是否满足要求和最大变形位移验证码垛机器人刚度是否满足要求,通过模态分析得出前6阶固有频率和相应模态振型结果,避免一些低频率情况发生共振。最后,通过减小移动臂臂节厚度和增加臂节长度来进行结构优化实验,减小移动臂整体重量。通过优化得出一组重量最轻、承受等效应力最小、变形量最小的解。

关键词： 机器人教育   中等专业学校   VEX   机器人竞赛  

摘要： 在现阶段的中等专业学校教学中,VEX创新机器人教育已经成为一种全新的教育模式,它的出现为创新教育提供了有效平台,深受各学校师生的青睐。VEX创新机器人教育作为一门教学课程,在教学活动进行的过程中,还存在很多不完善的方面,目前来讲,它的教学活动主要发挥在实践教学过程中,并且在发展的过程中还受到很多因素的制约。例如VEX机器人教学理念的不足,系统教材和课程的缺乏,以及教师对机器人教育执行认识上的偏差等等,因此本文通过四个方面展开对VEX智能机器人教学措施的科学分析。

关键词： 飞行爬壁机器人   爪刺   仿生力学   接触碰撞   步态算法  

摘要： 由于能源容量的限制,飞行机器人的任务生命周期短,作业形式单一,给予飞行器着陆栖息和爬行功能是解决此问题极为重要的方法之一。为了使飞行爬壁机器人能应用于外星探索或者混凝土、花岗岩等城市人造粗糙壁面,要求着陆栖息和爬行机构可适应多颗粒、多粉尘和粗糙的非结构化自然表面。然而,目前已有的真空、磁力和粘液等附着方式均无法适用于非结构化表面,爪刺附着方式也仅限于笨重的纯爬壁机器。研究爪刺式飞行爬壁机器人着陆栖息带来的接触-碰撞仿生接触动力学行为一直是该领域内前沿课题。本文针对该问题,综合采用自锁理论、有限元数值计算以及实验方法,研究了飞行爬壁机器人的接触-碰撞动力学机理和爬行步态控制算法,自行设计和制造了爪刺式飞行爬壁机器人样机,实验验证了理论结果。具体研究内容和创新点如下:(1)基于昆虫和鸟类的爪足结构,利用动态摩擦自锁理论研究了仿生力学模型的抓附机理,获得了爬行机构设计标准。设计了飞行系统、爬壁系统和爪刺等小型机械结构,给出新型传动方式、迈步方式和着陆方式以实现飞行、着陆和爬壁的功能。(2)编制了爬行过程中的步态控制算法。采用C语言书写飞行与爬行的控制算法的代码并同时写入微处理器,实现集成控制。采用python语言编译机器人上位机控制软件,通过遥控器和调参的控制方式控制机器人行为。针对爬行过程中可能出现的脱落情况,通过对加速度传感器数据的处理与反馈,设计爬行防脱落算法。(3)提出柔性多体系统接触碰撞动力学模型,研究着陆栖息时的动力学行为。基于该模型,模拟计算了着陆时的运动学、接触力和结构应力等动态响应。通过对机器人着陆前不同速度和飞行姿态模拟结果的分析,确定了着陆栖息前的可行初始状态,即水平速度在200-400mm/s之间并保持加速。提出降低机器人产生不良接触碰撞响应的方法,并进行结构优化。(4)实现了国内首个轻质量、低能耗和长工时的爪刺式飞行爬壁机器人样机,开展了爪刺的静力学实验、机器人的飞行-着陆实验和爬行实验。通过对陀螺仪和加速度传感器监测机器人运动并加以优化控制。通过实验数据的统计,得到最佳迈步速率和最佳着陆前初始状态,并验证理论与仿真结果的准确性。此机器人重43g,最大爬行速率为6.3cm/s,是目前爪刺式爬壁机器人中相对轻盈与快速的。

关键词： Robots   Three-dimensional displays   Scanning electron microscopy   Motion pictures   Printing   Cameras   Three-dimensional printing   Service robots   Animation  

摘要： Robotics and 3D printing pave the way for future methodologies in many industries, but they can also be used for original artistic projects, including technological challenges. Imagine a film studio smaller than the size of your finger, an actor whose height is smaller than the thickness of your fingernail, and a camera using electrons instead of photons: these are the ingredients of the innovative film Stardust Odyssey. Several years of development were necessary to propose highprecision miniaturized robots able to position 3D-printed microfigurines in a scanning electronic microscope (SEM) to produce the film, which was released on 27 November 2019. This original film is available online [1]-[3]. The film, which pays tribute to David Bowie, holds the Guinness world record for the smallest 3D stop-motion animation character in the world [5].

关键词： 管道检测机器人   自激振动   动力学模型  

摘要： 海底管道检测机器人在海底管道运行工程中，由于受到摩擦等原因，会产生自激振动。这种自激振动的产生会带来许多危害，导致管道检测机器人检测的准确性降低，甚至使管道检测机器人零部件出现松动，更有甚者使管道检测机器人无法正常运动，失效卡堵。而在茫茫海底，管道检测机器人的失效意味着损失重大，维修费用高昂。为减少甚至避免这种情况的发生，针对海底管道检测机器人自激振动问题，建立正确的动力学模型，探究各部件对其自激振动的影响，就显得十分必要。　　本文以海底管道机器人为研究对象，根据海底管道机器人的原型，将海底管道机器人拆分为两部分，头部皮碗和舱体，对其进行建模。皮碗的部分分为两种情况，一种侧重于研究管道检测机器人与管道之间摩擦的环板-柱壳耦合模型，一种侧重于与管道石油流固耦合的环板-锥壳-柱壳模型。在管道机器人皮碗的边界和耦合处设置弹簧和阻尼来模拟边界条件和耦合条件，舱体部分则设置边界条件。基于板壳理论和能量法中的Rayleigh-Ritz法，利用能量最小原则，建立起管道机器人结构的数学解析模型，求得其频率值。　　建立完各结构、各状态下的数学模型，并解析之后，利用锤击法、扫频法求得其实际频率值。最后应用有限元软件，对管道机器人皮碗、舱体结构进行模态分析，得到其频率值和振型图，将解析解、实验解和仿真解相互对照，探求这三值之间的差异，验证所建立的数学模型，并通过这三者之间表现出来的差异性和相似性，探讨隐藏在数值之后的本质原因。