关键词： Tau并联机器人   运动学模型   动力学模型   人工势场法   视觉伺服  

摘要： Tau并联机器人是一种新型的串并联混合机器人,同时具有串联机器人大工作空间和并联机器人高刚度、高精度的优点,本文即以该机器人为研究对象。对Tau并联机器人进行机构分析和运动学建模。针对其独特的机构组成,分别利用传统的和改进的K-G方法对使用虎克铰和球铰两种连接进行自由度分析,从理论上证明两种连接方式的可行性。对Tau并联机器人进行正、逆运动学建模,并针对并联机器人普遍存在的运动学多解问题,提出了一种基于机构初始状态的错误解排除方法,并通过ADAMS和MATLAB联合仿真,验证该模型以及该多解排除方法的正确性。对Tau并联机器人进行动力学分析,提出一种应用于Tau并联机器人的Lagrange方法和Udwadia-Kalaba方法相结合的动力学建模新方法。将Tau并联机器人拆分成三个支链和动平台两部分,利用Lagrange方法建立支链动力学模型,利用牛顿力学方法建立动平台动力学模型,再结合机器人机构约束模型,统一带入到Udwadia-Kalaba方程中建立机器人动力学模型,并具体分析正、逆动力学显式解析解求解方式,通过MATLAB仿真验证应用该动力学方法的可行性。引入视觉系统,提出一种基于视觉轨迹约束的动力学及伺服方法。基于人工势场法,规划得到机器人轨迹路径,采用PID控制完成基于图像的视觉伺服控制,同时,将该轨迹作为约束整合到机器人机构约束模型中,同样使用Udwadia-Kalaba方程建立新的动力学模型。在动力学模型的建立过程中考虑视觉轨迹约束,实现基于视觉轨迹的机器人驱动力矩控制。

关键词： 机器人竞赛   创新实践能力   培养模式  

摘要： 近年来机器人竞赛的迅速发展,成为高等院校对大学生进行创新实践能力培养的重要平台。本文以机器人竞赛平台作为载体,分析了机器人竞赛对大学生创新实践人才培养的影响,并结合我院近几年来对大学生机器人竞赛平台的组建情况,阐述了我院的培养措施,探讨了应用型本科高校大学生创新能力教学的培养模式。

关键词： SCARA机器人   运动学   轨迹规划   动力学   仿真分析  

摘要： 随着生产自动化程度的提高,机器人在工业生产中的应用愈加普遍。四自由度SCARA机器人是工业机器人中应用很广的平面装配机器人。本文根据课题设计了一种四自由度SCARA平面装配机器人。围绕SCARA进行本体结构设计,并且基于ADAMS软件对SCARA进行运动学和动力学的建模与模拟,验证设计的合理性。论文的主要研究内容包括:(1)根据课题的要求对SCARA机器人进行本体结构设计,对关键零部件选型并计算,同时确定了传动方案。然后利用Solidworks软件遵循自下而上的原则构建SCARA机器人的实体三维模型。最后利用ANSYS有限元软件对大臂和小臂的受力进行分析,验证大臂和小臂满足设计要求。(2)通过D-H方法和齐次坐标变换理论,分析SCARA机器人的结构参数,建立运动学模型,对正运动学和逆运动学求解。基于运动学的求解,讨论了 SCARA机器人在关节空间的轨迹规划问题。使用Matlab软件中机器人工具箱建立机器人运动学简化模型,对正运动学进行模拟分析,得到各关节角度位移、角速度、角加速度随时间的变化曲线,同时得到了机器人末端的轨迹,从而验证了数学模型建立的正确性。(3)在运动学分析的前提条件下,对SCARA机器人的动态性能进行理论分析。通过对比机器人常用的动力学建模方法,选择拉格朗日方法对SCARA机器人进行动力学的建模。(4)利用虚拟样机技术,将Solidworks软件建立的三维模型导入到ADAJMS软件中。通过ADAMS分析软件对SCARA机器人进行运动学和动力学仿真分析,得出各关节仿真结果,根据各关节的力、速度、加速度曲线以及受力分析来验证设计的合理性和实用性。结果表明经过仿真获得的参数与实际参数很接近,证实了建立的运动学和动力学方程结果的正确性以及结构设计的合理性。对运动学和动力学的分析可以为机器人的可靠性设计提供了理论基础,同时对结构进行优化,发现设计中存在的问题,提高传动精度。

关键词： 关节型机器人   动力学模型   参数辨识   前馈控制  

摘要： 工业机器人集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体,广泛应用于工业生产过程中的搬运、焊接、装配、加工、涂装等方面,并且正向着高速、高精度、高智能化的方向发展,加之产业需求的不断扩大与提升,诸如新型的激光焊接、激光切割等现代任务对机器人的控制精度提出了更加严苛的要求。在传统的机器人控制策略中,由于伺服驱动器内部的PID调节忽略了机器人运动控制中的各项非线性因素,因而,仅通过误差反馈的控制策略是无法保证机器人在高速运行时的控制精度的。而基于机器人动力学模型的前馈补偿控制,可以加快伺服驱动器内部的误差收敛速度,进而改善机器人的动态响应特性。国外先进的整机制造商已将基于动力学模型的力矩补偿技术融入到机器人控制器中,国内现阶段已经投入了大量的时间与精力用于开展机器人的动力学相关研究,虽然理论研究较为深入,但大部分的研究都停留在仿真环节。本文针对工业现场典型的关节型机器人,在总结国内已有研究成果的基础上,设计并完善了关节型机器人的动力学参数辨识方案,并基于现有的实验条件,对本文所设计的方案进行了实验验证。此外,本文利用Simulink通用仿真平台对基于动力学模型的前馈控制方案进行了可行性验证。为开展关节型机器人的动力学参数辨识及前馈控制研究,首先,本文以埃斯顿公司的ER16为研究对象,分析了传统方法在构建机器人动力学模型上的优劣,最终选取迭代式的Newton-Euler法来构建其动力学模型,并基于线性化的数学理论,通过symPybotics工具包整理得关节型机器人动力学模型的最小参数集,最后利用Matlab中的Robotics Toolbox对上述模型进行了验证。接着,论文依据激励轨迹的设计目标,提出了基于有限项傅里叶级数的激励轨迹模型,并在机器人各关节状态的约束下,将模型中回归矩阵的条件数极小化作为优化目标,通过多次筛选求得最优轨迹,最后以ER16前三轴为实验对象开展机器人的动力学参数辨识。针对相关实验数据,本文设计了巴特沃斯滤波与零相位数字滤波相结合的方案,并辅以RLOESS算法,不仅有效地滤除了数据中的高频噪声,而且保证了相位的不失真性。最后,利用加权最小二乘法对动力学参数进行辨识,并设计了空间玫瑰型轨迹用于参数验证。论文最后在上述参数辨识方案的基础上,开展了基于动力学模型的前馈控制研究。依据前馈控制的实现原理以及实际控制系统中的时间约束,并借由Simulink平台对关节型机器人的三轴系统进行了前馈控制的仿真验证。本文通过有无前馈控制的对比仿真实验,证明了基于动力学模型的前馈控制方案有利于提高关节型机器人的轨迹精度,改善机器人的动态响应特性,也为今后的前馈控制实验打下了坚实的基础。

关键词： 有缆遥控水下机器人   自由度   计算流体动力学   推进器  

摘要： 受自身机能和科学技术的限制,人类对海洋的了解和利用长期以来进展缓慢。目前陆地资源日益枯竭,开发海洋的需求变得越来越迫切。借助水下机器人技术的快速发展,人类社会发展迈向海洋的步伐正在加快。有缆遥控水下机器人ROV作为水下机器人中重要的一种类型,以其特有的优势,正越来越贴近人们日常的生产和生活。小型化、便携化ROV因其更适合近海、港口、湖泊、水库等自然水体中使用,成为ROV应用的一大趋势。本文研究的是一种可以搭载作业和观察设备的小型ROV浮游移动平台,按照模块化设计的思想,对ROV系统进行控制系统设计、结构设计、仿真分析和水动力学性能研究。通过试验测试推进器的推进力和ROV样机的各项性能,进而验证设计方案。本文主要研究的内容包括以下几个方面:首先,本文介绍了国内外ROV类型水下机器人的相关技术研究及其进展。通过结合本课题中作业环境和性能指标的相关要求,完成了ROV方案的研究和设计,进而确定了六推进器五自由度的推进器布置方案。并在此基础上设计了各部分结构,如耐压控制盒、推进器、照明灯、浮块等。其次,为满足ROV水下载体的运动性能指标,对所设计的ROV外形进行了CFD仿真和流线型优化。通过对比优化前后的ROV水下载体水阻力,得出了各平移自由度的水阻力特性和极大预报值。通过分析流场中ROV脐带缆的水动力特性,得出了脐带缆在极限流场条件下的水阻力预报值。根据导管螺旋桨、喷水推进器的设计思路和方法,结合ROV水下载体和脐带缆的水阻力分析,设计了一种满足设计指标的泵喷推进器,确定了推进器电机的型号、桨叶的各种尺寸参数。最后,按照设计方案完成样机的制作。通过搭建试验平台,进一步测试样机推进器的性能。该试验包括单个推进器的正反向推进力试验和多推进器相互干扰条件下的正反向推进力试验,从而验证了样机推进器的可行性。并且在自然水体和试验水池中,分别测试ROV系统的性能,从而验证了样机系统性能满足各项指标要求。

关键词： Ground vehicles   UNMANNED   Payload   robotics   waves   rougher   oceans   time periods   liquids   Reconnaissance  

摘要： The next-generation Wave Glider - an unmanned surface vehicle that can traverse the surface of the ocean -will be able to collect intelligence, surveillance and reconnaissance data in rougher waters, for longer periods of time and while carrying more payloads, said a Liquid Robotics executive.

关键词： 爬壁机器人   钻孔   动力学   模态分析   参数识别   多项式拟合   Adams  

摘要： 在堤坝水下缺陷检测和维护中,现阶段急需一种自动化设备来代替人工进行水下钻孔作业。在大坝平面上,水下爬壁机器人是一个理想的施工设备搭载平台。对爬壁机器人影响最大的是其吸附力,因此研究钻孔过程对爬壁机器人吸附能力的影响,研究整个钻孔过程的动力学模型具有十分重要的现实意义。本论文以研究水下爬壁机器人钻孔过程动力学行为为目标,根据实验模态分析的方法,建立了一个动力学研究实验平台。包括实验台机械结构,实验模态测试系统,模态参数辨识算法三大部分。在实验台机械结构部分,针对吸附状态下钻孔过程的特点,同时考虑实验室现有条件,对钻孔过程力学模型进行简化,并根据该力学模型构建了钻孔实验平台机械部分,其中采用配重来模拟简化为常力后的吸力。采用ADAMS建立虚拟样机模型,在频域和时域分别分析了刚度变化对低阶模态和激励响应之间的影响。并且在模态参数辨识算法方面,基于模态参数辨识频域法,采用基于Forsythe正交多项式的正交多项式拟合算法,用该方法对谱估计所得的频响函数进行曲线拟合,从而可以得到系统的模态参数。并采用该方法对虚拟样机进行参数辨识验证。在实验模态测试系统中,测量系统部分,为简化系统,激励设备采用力锤,测量采用ICP压电式力和加速度传感器,数据采集系统以cRIO为核心,通过以太网与上位机电脑通讯将采集的数据保存和处理。采用该测试系统,对进给系统进行实验模态分析,用以验证理论模型的正确性。

关键词： 管内机器人   复合驱动   链式结构   动力学   fluent仿真  

摘要： 在现代实际工程应用中,管道作为一种高效的运输工具在工业生产中得到广泛应用;管道机器人作为特种机器人,被用来代替人类完成各种各样的管内作业,也越来越被人们所重视。随着时间推移,管道环境越来越复杂、管道长度越来越长、管内作业越来越难等一系列问题的出现使得人们对管内机器人的要求越来越高。目前,续航能力强、功能多样化以及运动稳定性好等优点逐渐成为评价管内机器人的标准。基于此,提出复合驱动链式管内机器人概念,其复合驱动满足了续航能力强、多单元结构满足了机器人的功能多样化,为后续的样机研制奠定理论基础。本文以复合驱动链式管内机器人概念为基础,首先建立了通用物理模型,以该模型为研究对象进行了静力学分析,包括不同姿态角下电机驱动力大小、作用在皮碗上的流体驱动力模型及管内阻力计算模型;推导出机器人在水平和竖直方向运动的静力学平衡条件。然后描述了链式机器人通过各种管道障碍的运动过程,包括焊缝障碍物和弯管障碍;分别对单节单元体和多节单元体的弯管通过过程进行了数学描述,推导出通过弯管的几何约束条件;讨论了不同情况下各滚轮的差速特性对机器人转向过程的影响,并将差速特性应用到T型管的通过过程中。基于虚拟样机技术,对弯管通过过程和障碍物通过过程进行了仿真。将单节单元体和多节单元体的过弯仿真过程进行了速度及滚轮角速度的对比,通过对比验证了单节单元体与多节单元体弯管通过过程保持一致;此外通过仿真过程获得双虎克铰在过弯过程中最大转角值;通过仿真研究了影响机器人里程轮系统通过焊缝运动过程的主要因素,结果表明:当初始速度改变时,里程轮跳起高度及前后速度变化差值也会发生改变。建立了基于CFD算法的流场计算模型,在改变皮碗与管壁环形间隙大小的条件下对管内机器人周围流场速度矢量和压强变化进行了描述;在Fluent软件中模拟了PIG型管内机器人随流体流动的运动过程,得到了流体作用下速度及加速度的变化趋势;最后在电机驱动力与流体驱动力耦合作用下,通过描述机器人在四种不同的工况下的运动过程,验证了复合驱动的必要性与合理性。

关键词： 乡镇高中   普通生   机器人竞赛   辅导  

摘要： 中小学机器人竞赛活动已经开展多年,通过训练与参赛可以培养学生的创新精神、合作能力与竞争意识,提升师生的综合素质,机器人教学也逐渐走进了学生的视野和课堂教学之中。我校从2010年起开展机器人竞赛辅导,起步较晚,但近年在虚拟机器人的三个项目和智能垃圾分类(实体)项目上连续取得省一等奖的好成绩。笔者认为对于大多学校来说,作为乡镇高中在资金投入不多,学生基础不理想,竞赛支持环境不优越的条件下,我们取得成功的做法更值得借鉴和推广。

关键词： 并联机器人   动力学建模   U-K理论   层级堆聚   关节摩擦  

摘要： 冗余驱动并联机器人具有精度高、刚度大、承载能力强、结构紧凑的优势,在医疗、航空航天、军事等高精尖领域得到了广泛的应用。由于并联机器人是一种复杂的空间多闭环结构,其动力学建模过程复杂,步骤繁琐。目前,传统的并联机器人动力学建模方法虽然可以得到其动力学模型,但仍存在建模过程需要借助辅助变量,很难得到动力学解析模型,无法系统化建立在非理想约束下的动力学模型等问题。针对上述问题,本文以二自由度冗余驱动并联机器人为研究对象,引入一种新的多体系统建模方法—基于Udwadia-Kalaba理论的层级堆聚建模方法,对机器人进行动力学建模研究。首先,对二自由度冗余驱动并联机器人进行运动学分析,对其运动位置进行正向和逆向求解,求解关节与末端执行器之间的速度及加速度关系;其次,利用层级堆聚建模方法,建立并联机器人的动力学解析模型,并借助拉格朗日乘子方法对该动力学模型进行理论论证,然后在MATLAB软件中对机器人的动力学模型进行仿真验证;最后,考虑并联机器人主动关节处约束为非理想约束时,即考虑主动关节处存在摩擦力,建立机器人关节摩擦力的解析式,并对关节摩擦力与关节约束力进行解耦,得到并联机器人动力学解析解耦模型,再借助MATLAB软件对获得的模型进行数值仿真研究。研究结果表明,层级堆聚建模方法能够系统、快速、有效地建立二自由度冗余驱动并联机器人的动力学解析解耦模型,为机器人的动态控制研究奠定基础。