关键词： 非正交   协作机器人   运动学分析   动力学仿真  

摘要： 机器人作为一种现代化工具,它能在工业生产中代替人力,而且正在发挥着越来越大的作用。传统机器人移动的速度快,处理的负载重,在大批量生产中加快了生产线的吞吐量。但在制造业的许多场合,要求灵活性而不是高速度,需要机器人实现人机协同操作,以适应小规模、不断变化的生产需求。因此,研究一种适应性强、负载/自重比高、灵活敏捷、且成本低的轻量型模块化协作机器人,用以满足未来智能制造行业的需求,将对社会产生深远影响和意义。本课题主要针对该种非正交机器人的结构、运动学及动力学等进行分析。机器人运动学分析是实现机器人控制的基础。根据该种协作机器人的特殊结构,利用D-H方法对机器人进行数学建模,并完成运动的正解和逆解。提出一种多组逆解最优解的选择方法。通过SolidWorks建模对机器人不同位置的多组逆解值进行验证。机器人的奇异性和工作空间是机器人使用时的重要参数指标。通过机器人自身结构和雅可比矩阵对机器人的奇异性进行分析。采用蒙特卡洛数值方法,结合MATLAB编程绘图的能力对机器人的工作空间进行求解。机器人动力学仿真可以帮助分析机器人的动态性能。通过数学分析以及ADAMS仿真分析的方法对不同负载、不同运动方式下机器人的性能进行研究。仿真分析在研究机器人动态性能的同时,验证电机、减速器的选型情况。

关键词： 独轮车机器人   阿沛尔方程   滑模控制   鲁棒控制  

摘要： 独轮车机器人作为一种结构简单的自平衡轮式移动机器人,外形灵巧纤细,运动灵活自如,具有广泛的应用前景。与其他自平衡机器人不同,独轮车机器人支点单一,是一种特殊的动态稳定机器人。另外,由于它的非线性、强耦合、欠驱动等特点,涉及学科众多,在平衡控制方面更加复杂,不仅需要控制其横滚方向和俯仰方向的平衡,还要进行航向的运动控制,因此,为独轮车机器人和控制理论与应用等多学科的研究与实践提供了一个良好的测试平台,在自动化领域具有很强的科研意义和应用价值。本论文所研究的独轮车机器人是在实验室前人的基础上进行的,此机械结构大体可分为行走轮机构,横滚平衡机构和航向控制机构。独轮车机器人可通过控制行走轮的速度控制俯仰方向的平衡,通过平衡杆控制车体横滚方向的平衡,通过车体上的航向驱动电机控制行走轨迹。本文基于Appell方程建立独轮车机器人的动力学模型,针对线性控制设计了滑模控制器和鲁棒控制器,使用Matlab对所设计的控制器进行平衡控制仿真。通过仿真实验可得出,独轮车可实现在俯仰方向、横滚方向和航向上的控制,并且具有一定的抗干扰性。在此基础上,又设计了一款新型独轮车机器人,其行走机构为两个固定在一短轴上的行走轮,以此解决车体的横滚方向上的平衡问题,又不失其体积小,行走灵活的优点,对其基于Appell方程进行了动力学建模,在模型的俯仰子系统上进行了线性滑模控制和非线性神经网络控制的仿真实验,其中对线性滑模控制器进行了 Adams-Matlab仿真实验,仿真结果验证了所设计控制器的有效性。

关键词： 救援机器人   结构优化设计   运动学   动力学  

摘要： 全球性地震灾害发生频繁,救援任务具有时限紧、对功能性和智能化要求高等特点;目前靠人工救援为主,救援效率低,需要研究轻量化、高灵活性、智能化的机器人。针对以上要求,本文对地震救援机器人的结构设计和尺寸优化、冗余自由度机械手的运动学以及动力学进行了一系列研究。首先分析优化了地震救援机器人的机械臂结构。根据现场作业要求,设计了相应的行走平台和七自由度冗余机械臂。对主要零部件进行了静力学分析,分析结果表明机械臂还有一定的优化空间,为了提高机械臂的负载自重比,基于响应面法进行了相关尺寸优化,优化了机械臂结构。其次进行了七自由度冗余机械臂的运动学研究。基于DH法为机械臂连杆建立局部坐标系,建立了机械臂的运动学方程,并采用蒙特卡罗法求解了机械臂的作业空间;在梯度投影法的基础上综合考虑机械臂奇异构型和关节极限,分析了冗余机械臂的逆运动学问题,并引入位置误差反馈的闭环逆运动学解法,提高了逆运动学的求解精度。然后搭建虚拟样机模型进行动力学仿真实验。基于拉格朗日法建立了机器人动力学方程,基于ADAMS虚拟样机对单个关节进行了定点控制和轨迹跟踪仿真试验。仿真结果表明,单个关节定点控制反应灵敏,轨迹跟踪效果良好。将ADAMS虚拟样机模型导入MATLAB,基于MATLAB/simulink建立机械臂的控制系统,可为将来控制算法验证提供交互式联合仿真平台。最后试制了地震救援机器人物理样机,建立基于快速控制原型技术的实时控制系统,采用传统的PID控制,对物理样机进行了轨迹跟踪试验验证。试验结果证实了冗余七自由度机械臂逆解的实时性和有效性以及动力学仿真结果的正确性。

关键词： 双轮机器人   动力学建模   智能控制   变结构控制  

摘要： 双轮车在人们日常生产生活中饰演者着十分重要的角色,是日常交通中不可或缺的便捷交通运输工具。近年来随着微型高速芯片的普及,很多先进控制算法也得以在日常交通运载工具中应用,因此对于双轮机器人的运动控制研究愈发地受到学术界关注。从控制学角度讲,双轮车是一种欠驱动系统。独立控制量少的特点使得其在能源消耗、成本控制、结构轻化等方面都全较驱动系统有优势。但是系统控制量与双轮机器人自由度不对等的问题造成双轮机器人的运动控制器设计较为困难。本文的研究对象是一种变结构双轮机器人,其具有三种稳定的运动模式:Bicycle模式、Segway模式以及Monocycle模式。针对该种机器人进行了结构设计、运动学分析、动力学建模等工作。在此基础上,针对机器人运动控制问题及系统参数辨识问题展开了研究。首先,本文针对变结构双轮机器人的系统结构进行了分析,针对其不同的运动模式分别进行了运动学分析,并基于Appell方程为其构建了动力学模型。然后,在明晰了变结构双轮机器人系统的输入输出关系的基础上,本文基于不同的控制理论分别对Bicycle模式和Segway模式设计了控制器。为Bicycle模式设计的控制器包括:基于滑模控制理论的定车运动控制器以及基于LMI鲁棒控制理论的圆周运动控制器;为Segway模式设计的两种平衡控制包括:基于串级滑模控制理论以及基于RBF神经网络的平衡控制器。此后,为了提高变结构双轮车运动控制器在实际应用过程中的可靠性与自适应性,本文针对变结构双轮机器人进行了基于Hopfield神经网络的参数辨识实验。最后,本文设计并搭建了实验样机,并设计了控制系统以及上位机数据监控软件。

关键词： 机器人系统   碰撞动力学   零空间优化   高斯最小约束原理   数值仿真  

摘要： 机器人系统的碰撞问题是实际工程技术中一个重要的研究课题,碰撞会影响系统运行的精度和稳定性,引起机器人系统动力学形态的巨大变化。同时,碰撞过程中产生的较大冲击力可能损坏系统或者目标物,因此,对机器人系统的碰撞问题进行研究,具有很强的理论意义和实际应用价值。本学位论文基于碰撞过程中产生的碰撞冲量和碰撞冲量矩理论建立机器人系统碰撞动力学模型,并对碰前轨迹规划和碰后动态响应问题进行了研究。本学位论文的主要研究工作如下:利用Lagrange方程,建立机器人系统的动力学模型,并以此为基础根据经典碰撞理论与恢复系数方程,推导得到碰撞时系统的外部碰撞冲量求解模型;该模型中碰撞点的速度与碰撞冲量之间是解耦的,有利于计算求解;基于Newton—Euler方程,采用相对坐标法,建立串联机器人系统的内部冲击动力学模型,探讨平面三杆机器人碰撞构型对内、外部冲击的影响,分析连杆质量和长度两个物理参数对关节内部冲击的影响。介绍闭链系统运动学分析的环路方程法及L-D动力学建模方法,引出建立闭链系统内部冲击动力学模型所需的一阶运动影响系数矩阵,基于串联支链内部冲击动力学理论,建立平面闭链五杆机器人机构内部冲击动力学模型。根据冗余机器人关节空间自运动特性,以平面三杆机器人为实例,通过建立其逆运动学解析解,采用零空间优化法进行碰前轨迹优化研究,分析零空间优化法对碰撞冲量的减小效应。根据碰撞过程中产生的冲量原理和高斯最小约束原理,运用求多变量函数极值的方法,建立多刚体系统接触碰撞后瞬时速度求解方程式,通过数值仿真,分析和探讨碰撞后系统的动态特性。

关键词： 上肢外骨骼   机器人运动学   机器人动力学   模糊PID控制   心肺复苏  

摘要： 当前,随着人们工作压力不断增大,以及生活中的不健康习惯增多,人体心脏骤停的几率增大,这时就需要对病人进行有效的心肺复苏急救。在这个过程中对按压的频率和幅度都有严格的要求,但是往往医生在心肺复苏过程中会体力透支,影响抢救的效果。本文针对这个难题设计了一种可以帮助医生增加力量的上肢外骨骼助力机器人,通过电机驱动系统来带动各个关节协调运动,将力传递到医生的手掌,接触病人进行抢救。这样既能够使医生更好的感知病人的实时情况,而且又能保持心肺复苏全程拥有足够的力量,实现最有效的抢救效果。而且此机构未来还可以用于协助残疾人完成上肢多个关节的康复训练。本文的主要研究内容如下:1.本文根据人体上肢各关节的运动特点,设计了心肺复苏外骨骼助力机器人结构方案,对驱动电机以及减速器进行了选型,并通过对关键结构进行应力分析,对该结构安全性进行了校核。2.建立了上肢助力机器人运动学模型,研究了运动学正、逆解。通过Matlab得出其工作空间,并利用Adams对外骨骼心肺复苏过程进行运动仿真分析。求出了外骨骼的雅克比矩阵,得到外骨骼机器人末端执行器实时的线速度与角速度。3.运用拉格朗日方程法建立动力学模型,运用Adams对外骨骼进行动力学仿真分析,得到各关节的力矩变化,为外骨骼控制提供更好的理论参考。4.针对所设计的上肢外骨骼助力机器人,分别利用传统PID控制和模糊自适应PID控制器进行分析,并在Matlab的Simulink模块中进行控制模型搭建与仿真,验证模糊PID控制器的性能。利用ADAMS和MATLAB针对外骨骼进行联合控制仿真,实现所设计的功能要求。通过实验研究了按压过程中各参数的变化,设计了幅度和频率调节控制策略,通过仿真和实验对比验证了其实用性。

关键词： 空间机器人   力位混合控制   动力学解算   FPGA  

摘要： 近年来,我国探索太空的活动越来越频繁,空间机器人的应用也越来越广泛。空间机器人主要工作在太空中,但又要经受地面发射环境的考验,同时由于一些在轨操作任务需要采用复杂的控制算法,这些都对系统的处理能力和实时性有着更高的要求。传统的多核处理器已难以胜任。基于以上现状,本论文针对空间机器人力位混合控制算法展开了深入研究,提出了用于空间机器人力位混合控制算法的动力学参数实时解算系统,利用硬件电路的并行处理能力实现加速算法的目的,搭建了系统的硬件测试平台,以典型的任务为例进行实验,最终验证了空间机器人动力学参数实时解算系统的有效性。首先本文对国内外空间机器人研究现状和动力学计算研究现状进行了分析,提出了本文的研究背景意义和方向。根据七自由度空间机械臂的构型,深入研究了其动力学方程,在此基础上,进一步推导出空间机器人动力学参数解算方法。其次,对动力学参数解算系统的需求进行了分析,在此基础上,通过对FPGA的选型,数据类型的选择等对比设计,最终给出了空间机器人动力学参数实时解算系统的设计方案。再次,根据空间机器人动力学参数解算系统的设计方案,将整个解算系统划分为多个子模块。针对每个子模块进行了详细的设计,最终在FPGA上采用硬件逻辑实现了系统的功能。同时为了评估系统设计的合理性,对每个模块实现所消耗的硬件逻辑资源进行了统计。最后,搭建系统硬件测试平台,针对空间机器人动力学参数实时解算系统进行了相关测试和实验研究,实验结果验证了所提出的空间机器人动力学参数实时解算系统的可行性和有效性。

关键词： 重载机器人   动力学模型建立   动力学参数辨识   力矩前馈控制  

摘要： 本文以江苏省科技成果转化专项资金项目“高速重载工业机器人(500KG)核心技术研发及产业化”为背景,深入研究了重载机器人动力学建模及控制的相关技术。由于500KG机器人仍处于模型设计阶段,本文以华恒焊接股份有限公司150KG机器人应用为目标,完成了该机器人动力学模型建立与验证、动力学模型参数辨识方法研究及其仿真与实验、前馈控制方法研究及其仿真与实验等工作。针对重载机器人动力学模型建立问题,由于重载机器人动力学模型十分复杂,为简化建模,考虑到机器人主要受力关节为前三个关节,首先将重载机器人简化为三关节机器人,然后采用牛顿-欧拉法作为建立重载机器人三关节动力学模型的方法,并采用符号计算软件Maple编程,得到了重载机器人动力学模型并给出了其矩阵形式。为了验证其正确性,本文以华恒焊接股份有限公司150KG机器人为对象,在动力学仿真软件ADAMS中构建了该机器人模型,比较了由其动力学模型计算出的关节力矩与由动力学仿真软件ADAMS计算出的关节力矩的吻合度,验证了该动力学模型的正确性。为了获得准确的机器人动力学模型,本文采用整体辨识方法辨识重载机器人动力学模型参数。本文详细研究了整体辨识法的辨识过程,首先通过参数重组获得了机器人动力学基础参数,然后采用遗传算法优化确定参数辨识激励轨迹。为抑制机器人按照激励轨迹运动时所采集数据中存在的噪声干扰,本文研究了基于快速傅里叶变换的数据滤波方式。然后基于最小二乘法进行动力学参数估算,选择验证轨迹,验证辨识出的机器人动力学模型的正确性。在研究了重载机器人动力学模型参数辨识方法之后,本文进行了150KG机器人动力学模型参数辨识仿真与实验。本着先易后难、先已知后未知的原则,首先基于ADAMS软件对重载机器人模型进行动力学参数辨识仿真实验,验证了 150KG机器人动力学模型参数辨识方法的正确性;然后分别在轻载机器人ER-3A和150KG机器人上进行动力学参数辨识实验,均取得了较好的辨识效果,获得了较为准确的机器人动力学模型。针对采用反馈闭环控制算法的重载机器人存在的位置跟踪精度较低、响应速度较慢、动态性能较差等问题,本文进行了重载机器人力矩前馈控制方式的研究,搭建了 Adams+ Matlab组成的动力学联合仿真平台,并通过该平台完成了 150KG机器人力矩前馈控制仿真,验证了力矩前馈控制在改善机器人关节跟踪精度、提高响应速度等方面的有效性;最后基于贝加莱控制系统开发了机器人前馈控制软件,在150KG机器人上的实现了前馈控制,并通过实验验证了相关方法的有效性,提高了机器人各关节的位置跟踪精度和末端位置跟踪精度,加快了机器人各关节的响应速度,改善了机器人的动态性能。

关键词： Kinect   竞赛机器人   体感控制   骨骼追踪  

摘要： 20世纪50年代末世界上第一台机器人诞生后,机器人得到了迅速发展。20世纪末期,智能机器人竞赛如雨后春笋逐渐涌现。竞赛用机器人可以在一定程度上体现国家智能化发展的水平及自动控制领域的根本实力。近年来,随着国家对创新型人才的需求,越来越多的高校把机器人竞赛作为大学生创新实践能力培养的一个新平台。随着虚拟现实和增强现实技术的不断成熟,各种新型的VR、AR设备不断问世,设计能够更好捕捉操作者意图以实现更自然人机交互的智能设备已是大势所趋。其中,微软发布的Kinect体感设备因其不借助其他物理设备,直接通过肢体控制游戏而风靡一时。之后,微软发布了Kinect for Windows SDK,可以支持Kinect完成骨骼识别、语音识别及人脸识别等功能。至此,Kinect逐渐走出游戏领域,并开始应用于医疗、教育及机器人等多个领域。本课题来源于2015年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛武术擂台赛中动作投影比赛项目。本课题的研究目的是通过基于Kinect体感控制机器人的设计与开发,激发学生对机器人技术及体感交互技术的学习兴趣,培养学生的创新思维与实践操作能力,进而对创新型人才培养理论的进一步发展提供参考。此研究不仅可以应用于机器人竞赛,也可以作为教学案例应用在课堂教学和实践教学中,用于丰富和充实大学生课堂教学和实践教学的案例成果。本文以Kinect体感设备为硬件基础,开发一款竞赛用的体感控制机器人,旨在构建一个以体感控制技术为背景,以机器人为对象的实践方案,开展体感控制技术和机器人竞赛的教育和研究,开展高校创新型人才的训练和培养。本文首先通过研读竞赛文件了解机器人竞赛内容及相关技术要求;接着根据机器人技术要求和竞赛任务制定体感控制机器人的总体设计思路;其次依据“自顶向下”软件开发思路分别完成上位机控制端设计及下位机机器人设计;然后在Visual Studio软件中完成体感控制机器人的软件设计与编写;最后,对设计好的机器人进行体感控制测试,并对测试结果提出一些改进意见。

关键词： 并联机器人   Kane方程   刚柔耦合   动力学   运动学  

摘要： 三自由度并联机器人在并联机器人中十分常见,它属于少自由度并联机器人中的一种,并且具有并联机器人动力性能较好、结构刚度较大、运动惯性较小、运动精度较高以及承载能力较强等特点,同时具备少自由度机器人结构简单、经济实惠、容易控制等特点。因此,三自由度并联机器人被普遍应用在要求达到高速度、高精度、高刚度以及良好的动态特性等场合,在这些领域具有较高的研究价值和广阔的应用前景。三自由度并联机器人方面的研究,目前主要集中在控制学、动力学、运动学以及机构学等学科领域。大多对并联机器人动力学的研究只是对刚体构件进行了动力学分析,研究过程中是将所有构件都看作为刚体,构件在运动时不发生任何弹性变形。因此,这种只对并联机器人的刚体动力学作分析,不能真实地反映出构件中刚体与柔性体之间在运动过程中由于弹性变形发生的耦合关系,也就不能真实地反映出柔性体变形对并联机器人末端动平台运动精度的影响及构件力学性能。随着机器人在实际工作中对精度和效率等要求的越来越高,对具有柔性的并联机器人研究将成为人们对机器人研究的新领域。因此,进行该方面的研究是有非常重要的现实意义及理论价值。本文以含有柔性构件的三自由度3-RPS并联机器人为研究对象,比较全面的研究了该类型机器人在动力学建模、创建柔性体、刚柔耦合动力学仿真分析等方面的问题,具体研究内容如下:首先,对含有柔性杆件的三自由度3-RPS并联机器人进行刚柔耦合动力学建模。动力学建模主要有牛顿-欧拉法(Newton-Euler)、拉格朗日(Lagrange)方程法和凯恩(Kane)方程法等几种方法,凯恩方程法既适用于刚体建模也适用于柔性体建模,计算较为简单。故运用凯恩方程法推导出了三自由度并联机器人刚柔耦合动力学方程,对其创建了动力学模型。其次,对三自由度3-RPS并联机器人的三条支链的上、下连杆进行柔性体创建。将机器人所需柔性体转换的部件导入ANSYS有限元软件中,通过选择单元类型、定义单元实常数、选择材料属性、创建节点、进行网格划分、创建刚性区域和生成.mnf格式中性文件等步骤完成柔性连杆创建。再者,对三自由度3-RPS并联机器人运用ADAMS软件进行刚柔耦合动力学仿真分析。分别对刚柔耦合模型与刚体模型做了动力学仿真,得出了两种模型机器人末端动平台质心的位移、速度、加速度和关节的力、力矩等仿真结果。最后,对比了刚体模型和刚柔耦合模型两种情况的仿真结果,分析了它们的位移、速度和加速度的偏差以及力、力矩的偏差等的变化情况。研究结果表明:该机器人在运动过程中,存在的弹性变形等问题对末端动平台在纵向z轴的位移精度有一定的影响,对柔性杆在横向y轴的受力也有一定的影响。该机器人刚柔耦合动力学仿真能够正确、直观地反映出3-RPS并联机器人真实的工作情况,得出柔性杆变形对并联机器人末端动平台运动精度的影响是存在的,对进一步进行刚柔耦合动力学研究提供了可靠的理论依据。