关键词： 空间机器人   捕获航天器   动力学演化   变拓扑构型   镇定控制  

摘要： 空间机器人在轨服务过程中,对航天器的捕获、抓取操作能力是其必不可少的一项关键技术。为了保证空间机器人系统在外太空运行的可靠性,对其捕获航天器过程的碰撞分析、动力学演化,及其后混合体系统的控制设计都是非常必要的。文中分别研究了单臂空间机器人、全柔性臂空间机器人、双臂空间机器人捕获航天器过程动力学演化,及其后对应的关节运动镇定、柔性振动抑制以及闭链混合体系统的姿态管理及辅助对接操作过程。结合拉格朗日方程、描述柔性变形的假设模态法及多刚体动力学理论,分别建立了空间机器人及目标航天器的动力学方程。基于动量守恒定律、力的传递规律、以及相应的运动、几何约束条件,经过积分与简化处理,分析求解了空间机器人捕获航天器后受到的碰撞效应,并获得了空间机器人与目标航天器组成的混合体系统动力学方程。针对单臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统,考虑了复杂工况下的控制系统设计。空间机器人输出力矩受限时,设计了基于非线性滤波器的饱和控制方案,限制力矩输出。考虑到星载计算机的计算能力有限,基于神经网络控制理论设计了分块滑模自适应控制方案,以完成控制系统的模块化设计,减小了算法的运算量。当系统同时存在外部扰动以及参数摄动时,设计了双幂次滑模神经网络控制方案,利用快速双幂次滑模趋近律保证了系统的收敛速度,并运用神经网络逼近系统的参数不确定项及外部扰动。为实现全柔性臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统关节运动镇定、柔性振动抑制一体化控制,利用奇异摄动方法将系统进行双时标分解,并设计了模型误差补偿滑模神经网络控制方案和极限学习机控制方案;借助虚拟力思想,获得了描述柔性振动及刚性运动的混合轨迹,以此为基础,提出了基于梯度下降法的自校正控制方案以及基于扩张状态观测器的鲁棒控制方案。上述控制方案都获得了关节、姿态运动镇定及柔性振动抑制效果。空间机器人双臂捕获航天器过程的动力学及控制问题包括:捕获前后构型的开、闭环变拓扑,动量、动量矩与能量传递变化,非完整动力学约束,以及存在闭环几何、运动学约束。根据不同的工况的控制要求,对捕获操作后形成的闭链混合体系统设计了自适应模糊H∞鲁棒控制,自适应PID饱和控制,递归模糊神经网络控制以及基于Hamilton-Jacobi-Bellma方程的神经网络最优控制。同时,为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后通过数值方法分析碰撞冲击效应,利用仿真实验模拟了闭链系统的运动过程,同时验证了上述控制方案的有效性。

关键词： 柔索   并联机器人   悬链线   索力   五索工况  

摘要： 随着工业技术的发展,传统并联机器人已经不能满足生产需要,因此,科学家提出了用柔索代替杆的并联机器人,即柔索驱动并联机器人,柔索驱动并联机器人具有重量轻、工作空间大、柔性好等优点,因此得到了广泛应用。本文研究围绕着“FAST工程空间六索驱动馈源舱位姿控制系统模型开发”项目,以柔索驱动并联机器人为背景,以500米口径球面射电望远镜(FAST)为研究对象,结合MATLAB、ADAMS等软件,求解柔索索力,分析柔索自身重力对柔索形状的影响,建立柔索驱动并联机器人的动力学模型,并进行了五索工况下的仿真分析。旨在将六索驱动并联机器人模型进一步精确化,本文主要进行了以下几个方面的研究工作:(1)总结柔索驱动并联机器人的发展历程以及国内外研究现状,阐述FAST的主要结构、悬索理论、馈源舱的静力学平衡方程,为后期索力求解、仿真分析奠定理论基础。(2)研究和分析了柔索的直线模型和悬链线模型,基于ANSYS的LINK180单元建立柔索的有限元模型,并对柔索进行了静力学分析,得到柔索自身重力对不同类型柔索变形的影响程度。(3)基于柔索的悬链线理论、馈源舱的静平衡方程,编写了索力求解程序,并利用MATLAB软件对索力初始值、最终值,以及不同位姿下的锚固点坐标进行求解。(4)深入研究柔索悬链线数学模型的建立方法,利用六索驱动并联机器人索力求解程序求解出索力的水平分力,并将其代入柔索的悬链线方程中,从而得到所求位姿下各个柔索的悬链线模型,为后续六索驱动并联机器人的建模奠定基础。(5)将柔索的悬链线模型和直线模型做对比,得到在所求位姿下柔索自身重力对其变形的影响程度,确定对于本文研究的六索驱动并联机器人,柔索的悬链线模型比直线模型更精确。(6)利用ADAMS软件中的柔索Bushing建模方法,建立了柔索的参数化模型,并以此为基础建立不同位姿下的六索驱动并联机器人模型,通过将仿真分析结果与MATLAB中的计算结果做对比,验证模型建立的准确性。(7)总结了六索驱动并联机器人的几种典型位姿,分别建立三种典型位姿下的动力学模型,并针对动力学模型分别进行了五索工况的仿真分析,仿真结果表明位姿WP1下的五索工况不具有危险性,而位姿WP1和WP2下的五索工况索力不满足技术要求,存在安全隐患。

关键词： 机器人   运动学   动力学   轨迹规划   BP神经网络   动态规划   三次B样条插值   仿真与实验  

摘要： 随着机器人技术的迅猛发展和市场的迫切需求,我国已将机器人行业列为“中国制造2025”的重点研究领域。本文以产学研合作为基础,以Dobot机器人为例,进行功能扩展,二次开发,研发了一台教学型四自由度桌面机器人,旨在让学生更加深刻地认知和了解机器人。在研发过程中,本文着重对桌面机器人运动学、动力学和轨迹规划的算法进行了研究。为了避免解被丢失的可能性和保证角的精度。本文根据桌面机器人的位姿结构特点,运用D-H法建立了该机器人各关节坐标系和运动学方程,进行了正逆运动学分析,得到了正逆解表达式,并将双变量反正切函数运用到了逆解的表达式中,通过真实数据验证了其正逆解的正确性。同时,对该机器人的微分运动进行了分析,通过构造法得到了桌面机器人的雅可比矩阵。运动学分析为桌面机器人动力学和轨迹规划的分析研究打下了坚实的基础。针对传统机器人动力学建模方法推导过程复杂,模型求解困难,计算误差大,且难度随着机器人自由度数的增加而迅速增加的问题。本文受到人工智能的启发,提出新方法,让机器人自己学会动力学建模。采用关节变量作为输入,各关节所对应的力矩值作为输出,构建了三层BP神经网络模型来解决桌面机器人动力学逆问题。为了使模型训练收敛速度更快,更加稳定,在训练中引入了弹性梯度下降算法。运用MATLAB编程,将各关节所对应的力矩预测值与计算所得实际值进行了对比,达到了误差精度要求。预测结果表明,桌面机器人力矩主要由2、3关节承受,其余关节受力较小,所建立的BP神经网络模型能够有效的预测桌面机器人在任意姿态下各关节所需的力矩值。采用人工智能的方法来解决机器人动力学问题对今后机器人动力学问题的研究具有很大的参考价值。为了寻求最佳运动路径,解决逆解多重解和机器人运动平稳性问题。首先,设计了桌面机器人轨迹规划器算法流程图,并在Solidworks中通过桌面机器人的装配关系采用示教的方式获取了起始点和终止点的位置。其次,在笛卡尔空间中利用直线插补算法和调用逆解公式求出了关节角序列,并用动态规划算法选出了一组最优解序列。最后,针对离散的最优解,再利用三次B样条插值对其进行了连续化处理。通过实例验证和MATLAB编程仿真,结果表明,得到了桌面机器人的最佳运动路径并保证了机器人运动的平稳性,也验证了算法的正确性。为了提高机器人设计效率。本文运用MATLAB GUIDE开发了机器人分析仿真平台,该平台实现了机器人运动学正逆问题、动力学正逆问题、动画演示和轨迹规划等分析仿真功能。并将仿真结果以数图的形式输出,可视化效果高。桌面机器人在运动学分析的基础之上。利用BP神经网络解决了逆动力学问题。运用直线插补、动态规划和三次B样条插值算法获得了最佳运动路径。通过开发分析仿真平台,有效地提高了桌面机器人的设计效率。本文的研究成果可以为机器人的设计和研究提供一种可借鉴的方法。

摘要： 2017中国(广东)国际“互联网+”博览会在佛山潭洲国际会展中心开幕,中国首个机器人及“工业4.0”综合服务平台——佛山机器人学院在此间正式启动成立,并推出首条中德合作“工业4.0”示范生产线。该学院由佛山顺德官方主导建立,是中国首家机器人学院,也是德国汉诺威机器人学院唯一海外授权的机构。学院将以智

关键词： 单球机器人   动力学模型   LQR最优控制   Adams-Simulink联合仿真  

摘要： 单球机器人是一种本征不稳定的动平衡机器人,它与地面单点接触,运动灵活,同时具有多变量、高度非线性、时变等特点,近年来成为轮式机器人领域研究的热点。相对于传统轮式机器人而言,单球机器人转弯半径几乎为零,可以在任何时候转向任意方向,同时在机械结构上的纤细苗条的特点使得该机器人能够在狭窄的空间工作,因而具有广泛的应用前景。本文旨在研究单球机器人动力学与控制模型,为最终实现机器人的平稳的自主移动奠定基础。通过对单球机器人的运动规律进行研究,将该机器人的运动分解到惯性坐标系三个平面,并在这三个平面分别对机器人的动能和势能进行数学建模,再根据拉格朗日方程建立机器人的动力学模型。在平衡点附近对机器人的非线性数学模型进行线性化,得出对应的状态方程,在此基础上对系统进行能控性和能观性分析。对机器人的平衡控制的研究,本文提出LQR结合PID的控制算法模型,对机器人的XOZ和YOZ平面采用LQR最优控制算法,而将PID控制算法应用到机器人的XOY平面,在Matlab-Simulink软件平台上对机器人系统平面模型的状态方程进行控制算法效果研究。达到满意的控制效果后,采用Matlab-Simulink软件和Adams软件进行联合仿真实验,经过反复多次的参数调整,结果显示所设计的控制器对于高阶非线性单球机器人系统的控制能够达到理想的效果。

关键词： 机械结构   运动学   动力学  

摘要： 软体机器人可以模仿软体动物,如章鱼、象鼻、蚯蚓等。软体机器人能够模仿动物运动模式,适应人类不能到达的环境。模块化机器人具有相对独立性、互换性和通用性的特点。因此,本文研究软体模块化机器人。根据国内外软体机器人的研究现状,分析了实验室中历代机器人优缺点,受到仿生学启发,结合生物蠕动运动的特点,设计了一种新型软体模块化机器人单元模块,主要创新点在于采用形状记忆合金作为转向驱动器,单元模块具有柔韧性,通过协调地控制四根形状记忆合金丝实现转向机构的伸缩或向任意方向弯曲,机构能到达空间中大部分位置。单元模块共有3个自由度,具有运动灵活、结构紧凑、对接可靠稳定的优点,最后,介绍了两个模块所组成构型拓扑以及多个模块构成拓扑构型。建立了软体模块化机器人单元模块的运动学模型,采用分段常曲率法,借鉴D-H法思想,提出基于伪刚体的D-H建模方法和形状记忆合金线驱动模型,描述驱动线运动速度与末端执行器运动的线速度、角速度之间的映射关系。基于Adams软件,单元模块进行了伸缩运动和弯曲运动仿真。通过对比多种动力学建模方法的优缺点,选择凯恩方法建立软体机器人的动力学模型;其次,通过受力分析,建立了软体机器人的凯恩动力学方程和单元模块截面的动力学平衡方程;通过Kelvin模型来描述硅胶的粘弹性;最后,基于Adams软件分析了单元模块动力学仿真。最后,对软体机器人末端模块进行轨迹规划。

关键词： 焊接机器人   动力学   仿真研究  

摘要： 在现代制造行业中焊接是一项十分重要的工艺,其应用领域十分广泛.与传统焊接技术相比较,焊接工业机器人在进行焊接处理的过程中拥有着安全、稳定、可靠、高效等优势.为了使得焊接机器人可以正常完成焊接工作任务,则需要对焊接工业机器人的动力学进行研究,通过控制程序来使得焊接工业机器人完成焊接工作.主要针对焊接工业机器人的动力学进行研究.

关键词： 中小学   机器人竞赛   综合素质   FLL  

摘要： 本文中重点研究了机器人进校园在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中对实现全面提升学生的综合素质有何积极影响.笔者在建构主义理论的指导下进行机器人竞赛教育,并通过活动前后的对比,研究了机器人教育如何提升学生综合素质,提高了哪方面的能力,给出推进机器人教育的对策和建议.

关键词： 机器人竞赛   高中生创新能力   实践能力   培养  

摘要： 实践创新能力是民族进步的灵魂、经济竞争的核心,21世纪的今天,实践创新能力已越来越成为社会生产力的解放和发展的重要基础和标志。智能机器人教学是信息技术发展的前沿领域,是一门具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科,蕴涵着极其丰富的教育资源。为使我校学生跟上科技发展的节奏,学校充分利用机器人竞赛的平台,来培养学生的创新实践能力。

关键词： 柔性空间机器人   大挠性航天器   动力学   振动控制   气浮实验  

摘要： 未来一部分航天器尺寸会越来越大,空间机器人将面临更加苛刻的操作环境。一些大型柔性部件,例如卫星天线和太阳能帆板等,都不可避免的会安装在航天器上。由于大挠性结构的振动,使得本身就具有柔性的空间机器人捕获和维修大挠性航天器成为一项非常具有挑战性的任务。本文以柔性空间机器人捕获及操作大挠性航天器的任务为研究背景,重点研究柔性空间机器人及复合体系统建模、动力学耦合及振动控制等方面的内容,并搭建气浮实验系统进行实验研究。目标捕获前,空间机器人含有柔性附件和柔性关节为典型的刚柔耦合系统;目标捕获后,空间机器人和大挠性目标形成一个两端含有挠性附件中间通过柔性机械臂连接的复合体系统。针对此本文采用递推组集的方式建立了柔性空间机器人和复合体系统的动力学模型。基于C语言开发了动力学计算程序并与Adams软件进行了对比验证。在动力学模型的基础上,分析了柔性空间机器人系统的动力学耦合特性。定义了用于描述柔性附件弹性运动到机械臂末端运动耦合大小的耦合因子。并通过建立关节角加速度与弹性变量加速度之间的关系,得到关节运动到附件弹性运动的耦合矩阵。根据耦合矩阵绘制了关节空间描述的耦合图。所开发的动力学计算程序具有高效高精度的优点,为后续柔性空间机器人系统的规划和控制奠定了基础。耦合因子和耦合图可分别应用于设计空间机器人的构型和降低柔性附件的振动。空间机器人进行点到点运动时会激发柔性附件的弹性振动,在柔性空间机器人动力学耦合研究的基础上,提出了一种基于耦合图的减振轨迹规划方法。分别讨论了起始点和终止点位于相同和不同最小耦合曲线两种情况下的关节轨迹规划方法。基于耦合图的减振轨迹规划方法具有直观可行,简单有效的优点。为了确定柔性空间机器人点到点运动时产生振动能量最小或残余振动最小的最优运动轨迹,首先将柔性空间机器人最优运动轨迹确定问题采用Bolza型最优控制进行数学描述,然后利用Radau伪谱法求解柔性空间机器人运动轨迹的最优解。Radau伪谱法确定最优轨迹的同时也验证了基于耦合图的减振轨迹规划方法的正确性。当柔性空间机器人自主抓捕目标航天器时,航天器的运动状态实时发生变化且系统存在复杂的动力学耦合现象,使得无法采用基于离线规划或开环的方式进行柔性附件的振动控制。针对此问题提出了一种同时实现目标跟踪及柔性附件振动抑制的混合控制方法。首先建立了柔性空间机器人目标自主捕获的闭环控制系统并给出了相对位姿测量和自主捕获轨迹规划的方法。然后设计了一种同时满足关节轨迹跟踪和附件振动抑制的混合控制律,并利用李雅普诺夫第二类方法证明了控制系统的稳定性。该方法可以在没有专门柔性附件振动抑制作动器的情况下,实现柔性附件在线振动控制。而且振动信号的选择灵活多样,具有较好的应用价值。当大挠性目标捕获后,安装在目标航天器上的大挠性附件的结构参数未知且其振动无法直接测量。本文利用振动波传递的特性,提出了一种基于振动波叠加的振动抑制复合控制方法。首先阐述了振动波控制的原理,将振动波分为传递波和返回波,给出了返回波的两种计算方法。然后针对复合体系统设计了一种结合PD控制和振动波控制的复合控制方法。并利用李雅普诺夫第二类方法证明了控制系统的稳定性。该方法将对大挠性附件的振动控制完全转移到机械臂关节处实现,具有重要的实际应用价值。根据空间微重力特性和动力学及振动控制实验的需求,本文建立了一套柔性空间机器人地面气浮实验系统。实验系统充分考虑了空间微重力环境和系统柔性特性,可以保证在平面内很好的模拟空间机器人和复合体系统的动力学特性。基于此实验系统,首先开展了复合体系统的动力学特性研究。研究了关节规划方法和规划时间对复合体系统振动的影响。然后采用振动波叠加的复合控制方法对复合体系统振动抑制进行了实验验证。