关键词： 3-PUU并联机器人   运动学模型   动力学模型   滑模控制  

摘要： 近年来,随着世界范围内“工业4.0”浪潮的兴起,各国纷纷专注于制造业的转型升级,提高制造业水平和自动化程度是大势所趋。机器人是自动化时代的标志,也是智能化时代的基石,以工业机器人技术为代表的智能化生产线将会得到越来越广泛的关注。Delta机器人,因其高精度、高刚度、高负载自重比的优势特点,在包装分拣、3D打印、医疗手术、微动机器人等领域得到广泛的应用。本文以3-PUU并联机器人为研究对象,以其运动控制为主线,分别从运动学分析、全工作空间性能分析、动力学建模与简化、动力学控制策略等方面对类Delta机构的3-PUU并联机器人进行理论研究,为进一步提高机器人的动态操作性能奠定基础。本文的研究内容包括:（1）建立并简化3-PUU并联机器人几何模型,运用闭环矢量法与杆长约束条件推导其位置逆解,并求导得到其速度模型以及加速度模型;在雅可比矩阵基础上,提出了无量纲化的刚度性能指标和综合灵巧度指标,并通过极限边界搜索法分析比较不同构型的并联机器人全可达工作空间内的性能分布情况。（2）采用虚功原理,分析机器人各部件在虚位移下所受广义力,建立3-PUU并联机器人的完备动力学模型,并分析电机驱动力矩各组成分量的权重。为解决完备动力学模型计算量大、实时性差等问题,首先基于忽略次要因素的原则,忽略权重较低的物理分量,建立简化模型。其次基于静力等效原则,将从动杆的质量按比例分配到两端的驱动滑块和动平台,建立简化模型。最后对比两种简化模型的计算效率和精度,确定最终的简化方案,并将动力学模型改写为关节空间形式。（3）基于位置逆解模型和动力学模型,分别设计了基于运动学模型的三闭环PID控制器、基于动力学模型的计算力矩PD控制器和非奇异终端滑模控制器,并使用李雅普诺夫原理进行稳定性分析。以轨迹跟踪精度和系统鲁棒性为控制目标,通过MATLAB/Simulink仿真分析,得出非奇异终端滑模控制器具有更好的跟随精度与鲁棒性的结论。（4）建立MATLAB和ADAMS联合仿真模型,结合之前推导的运动学逆解模型、动力学模型以及非奇异终端滑模控制器进行验证;然后,通过激光跟踪仪对工作空间进行扫描试验,与极限边界搜索法求得的工作空间在同一Z平面下进行对比验证;最后基于自主设计的运动学控制器进行试验,验证了基于运动学模型的三闭环PID控制器的可行性和有效性。

关键词： 爬杆机器人   模块化设计   运动学仿真   有限元静态分析   拓扑优化  

摘要： 人们工作和生活区域周边林立着各种类型的杆件,如电线杆、监控杆、路灯杆、广告立杆等等。这类杆件往往需要经常进行清洗与维护工作,目前这些工作一般是通过人员乘坐高空作业工程车进行人工操作的方式完成,费时、费力且效率低下。爬杆机器人的开发可以让其作为移动平台,搭载特殊的作业装置攀爬至杆件任意高度完成对杆件的清洗与维护工作。本文所研究的爬杆机器人基于模块化设计理念,结合杆件的尺寸、形状等数据设计而来,采用苏格兰轭机构作为传动机构,以柔性抱爪为夹持机构,在保证整体结构轻巧紧凑的同时又对杆件直径和形状有较强的适应性,具有较高的机动性能。本文主要以爬杆机器人为设计研究对象,通过建立爬杆机器人的虚拟样机与有限元模型来对其进行运动学分析及静态分析,并进一步完成机器人的结构优化和模态分析,主要设计研究内容如下:（1）构思并对比爬杆机器人的各类移动方式、贴附方式,选择合适的设计方案进行结构设计,并建立爬杆机器人三维模型。（2）爬杆机器人运动学仿真分析。通过MSC Adams软件模拟爬杆机器人正常爬杆动作从而获得爬杆机器人的运动轨迹、抱爪夹紧范围、抱爪与杆件间摩擦力等数据曲线。（3）爬杆机器人静力学特性分析。对爬杆机器人进行有限元静态力学分析,取得关键零部件在极限工况下的应力与位移云图,分析得出最大应力与最大位移处,校核验证零件的结构强度和刚度。（4）爬杆机器人拓扑优化及模态分析。根据爬杆机器人重要零部件的有限元静态分析结果,对爬杆机器人进行拓扑优化,使得上顶件与下顶件重量分别减轻35.6%和32%,并且对优化后重构的模型进行强度与模态分析。

关键词： Educational technology   Computer science  

摘要： There is an established positive relationship between learning that creates a deep understanding in academic content and the development of interest in that content. Recent advances in learning sciences and interest development research have also emphasized the importance of social supports and interaction and the need for personalization during learning to improve educational outcomes such as the development and maintenance of interest in a content area and knowledge construction in that content. In this dissertation, I suggest that interest scaffolds, instruction tailored to meet the specific interest development needs of students, which are delivered by a social companion robot, may be an especially effective educational technology to enhance the learning experiences of children and improve educational outcomes. This paper describes a series of three studies designed to test this claim. The three studies use multiple methods of analysis and include: initial development of interest scaffolding design guidelines and a social robotic platform to facilitate scaffolded activities; an extended field study of the robot during in-home interaction; and a randomized controlled laboratory study comparing learning outcomes during a robot supported learning activity with or without socially adept robot actions. Findings suggest that a social robot using interest scaffolding fundamentally transforms learning tasks that have been traditionally isolated and individual (e.g. homework) into collaborative activities that can positively impact interest development and knowledge construction, and that socially adept behavior by a robot improves children’s feelings of social connection with the robot, situational interest, and deep understanding of content.

关键词： 机器人竞赛   中小学  

摘要： 2003年4月出生,现就读于玉林市第一中学,是爱拼爱创新、战功赫赫的机器人竞赛小将,初中时是学校机器人战队的队长,队员们的主心骨,也是老师的好助手。人物理想覃冠钧曾看过一部纪录片——《哈工大》,后来到东北旅游时便专程去哈尔滨工业大学"朝圣",希望有朝一日能够考上这所顶尖军工大学,当一名科学家,如他景仰的钱学森、邓稼先一样,为国防事业做贡献。

关键词： 错题本   创新大赛   电子游戏   编程软件   机器人竞赛  

摘要： 星成就第33届广西青少年科技创新大赛中学生科技创新成果竞赛一等奖。第32届广西青少年科技创新大赛机器人竞赛创意项目初中组二等奖。2017年柳州市首届中小学生创客大赛编程类应用创作作品(初中组)冠军。星档案姓名:罗奕铖学校:柳州市第八中学星语录只有不断找寻机会的人,才能及时把握机会。星故事罗奕铖同学品学兼优,德智体全面发展。数学和物理是他最喜欢的科

关键词： medical robotics   surgical robots   minimally invasive surgery   MIS   computer-assisted medical intervention   human-robot interaction   clinical translation  

摘要： Medical robotics is poised to transform all aspects of medicine-from surgical intervention to targeted therapy, rehabilitation, and hospital automation. A key area is the development of robots for minimally invasive interventions. This review provides a detailed analysis of the evolution of interventional robots and discusses how the integration of imaging, sensing, and robotics can influence the patient care pathway toward precision intervention and patient-specific treatment. It outlines how closer coupling of perception, decision, and action can lead to enhanced dexterity, greater precision, and reduced invasiveness. It provides a critical analysis of some of the key interventional robot platforms developed over the years and their relative merit and intrinsic limitations. The review also presents a future outlook for robotic interventions and emerging trends in making them easier to use, lightweight, ergonomic, and intelligent, and thus smarter, safer, and more accessible for clinical use.

关键词： 中学生   机器人竞赛   实践活动   身心健康   创造型人才  

摘要： 新的时代,新的要求,我国的教育在不断改革中蓬勃发展。随着教育观念的不断改变,需要培养什么样的人才,或者说学生的发展方向应该怎么定位,新的教育方针政策都有了明确指导。目前在以高考为目标的中学教育阶段,就得让学生"动"起来,尽早适应社会发展,成为有特色、有质量的复合型人才,这就需要中学生在学习文化课的同时,多参与综合实践活动,并采取有效措施解决学习与综合实践训练之间的协调问题,大力发扬积极影响,尽力消除消极影响,借助学校、家庭、社会等各方面资源,积极合理锻炼身体,保持身体健康,同时注意心理调节和心理健康问题,紧跟社会发展方向,扬长避短,长远规划,成长为特色人才或全面发展的创造型人才。

关键词： delta机器人   运动学   动力学   工作空间   轨迹规划   刚柔耦合  

摘要： Delta机器人作为并联机器人的一个重要分支,具备并联机器人所有优点。本课题在三自由度delta机器人动平台末端增加三个旋转自由度,这样新的六自由度delta机器人不仅继承了三自由度delta机器人重量轻、体积小、运动速度快等优点,还使delta机器人能够适应更加复杂的工况,抓取普通机器人抓取不到的工件。本文首先利用虚拟分割法将六自由度delta机器人分割为并联机构与串联机构两部分,并且分别对并联机构与串联机构两部分进行单独的分析与数学模型的建立,从而得到并联部分运动学数学模型与串联部分运动学数学模型,最终将两部分进行耦合得到整体六自由度delta机器人运动学数学模型,并利用matlab对模型进行了验证,为后续机器人的工作空间与轨迹规划提供了理论基础。同样采用虚拟分割法对六自由度delta机器人进行分割,并且采用拉格朗日法得到了机器人的动力学数学模型。其次借助运动学数学模型并且利用matlab软件,采用蒙特卡洛法对六自由度delta机器人的工作空间进行分析,导出了机器人最大工作空间点状云图,分析得出机器人末端执行器在X轴方向上的工作范围为[-700～500mm],在Y轴方向上的工作范围为[-600～600mm],在Z轴方向上的工作范围为[-200～-1050mm]。并在adams中对机器人的轨迹进行了规划,得到机器人轨迹文件。最后利用UG建模软件对六自由度delta机器人的结构进行分析,建立机器人的三维实体模型。再将三维模型导入adams中,利用轨迹规划得到的数据对机器人进行运动学仿真分析,得到各个电机的转矩、受力等曲线,根据曲线确定驱动臂电机型号为SM-S8166,旋转轴电机型号为SR-403P。利用ansys建立了机器人驱动臂柔性体文件,并利用adams对六自由度delta机器人进行刚柔耦合分析。分析得到机器人五阶模态与驱动臂受力情况,根据模态分析在工作中避免工作频率为283Hz从而共振现象发生。根据驱动臂受力情况对机器人驱动臂进行改良。

关键词： Swarm robotics   Robotics  

摘要： Applying context to a situation, task, or system state provides meaning and advances understanding that can affect future decisions or actions. Although people are naturally good at perceiving contextual understanding and inferring missing pieces of information using various alternative sources, this process is difficult for AI systems or robots, especially in high-uncertainty and unstructured operations. Integration of context-driven AI is important for future robotic capabilities to support the development of situation awareness, calibrate appropriate trust, and improve team performance in collaborative human-robot teams. This article highlights advances in context-driven AI for human-robot teaming by the Army Research Laboratory's Robotics Collaborative Technology Alliance. Avenues of research discussed include how context enables robots to fill in the gaps to make effective decisions more quickly, supports more robust behaviors, and augments robot communications to suit the needs of the team under a variety of environments and team organizations and across missions.

关键词： 风电叶片   内窥检测   结构设计   性能分析   虚拟样机  

摘要： 风力发电作为一种清洁、安全的发电形式,越来越受到各国政府和投资机构的重视。风电叶片作为风力发电机组的重要部件之一,由于生产工艺和环境的影响,易产生缺陷和损伤,目前由于风电叶片内壁机构的不规则,针对风电叶片内壁的检测技术还不够成熟,不仅劳动强度高,效率低下,安全性差,而且检测范围极其有限。因此设计出适用于风电叶片内壁的自动检测设备势在必行。本课题研究设计的风电叶片内窥检测机器人是风电叶片内壁自动检测设备的主体部分,通过搭载检测设备,实现对风电叶片的内壁的检测。首先,根据风电叶片的构造特点和无损检测技术方面的相关理论知识,分析现有的风电叶片检测方式的构成和特点,针对现有风电叶片检测设备在适应范围和自动化程度上的不足,提出一种具有变径支撑机构,搭载便携式检测设备,能够应用于运行过程中风电叶片内壁的新型风电叶片内窥检测机器人。根据总体方案完成了各个部分及各个部件的具体详细设计,包括行走机构的设计、变径机构的设计、支撑结构的设计等。用Solidworks建模软件完成风电叶片内窥检测机器人整体模型设计,分别介绍了各部分机构的构成和工作原理,为进一步进行相关理论研究奠定了基础。然后,通过对风电叶片内窥检测机器人机构的运动学分析,得出变径机构在风电叶片内壁管道中变径的运动学模型,以及行走机构在腹板平面上行走的运动学模型,同时对变径机构变径动作以及行走机构转向的过程进行了分析,研究其变径性能、转向性能、转向速比以及所能够到达的工作空间。在所建立的运动学模型的基础上,进一步研究了风电叶片内窥检测机器人的静力学特性,研究机器人的牵引力和支撑力等力学特性,分析风电叶片在变桨运动和圆周运动后不同位姿情况下支撑力的变化。最后,通过建立风电叶片内窥检测机器人的动力学模型,确定了机器人的动力学方程。运用Adams动力学仿真软件,进行虚拟样机仿真,参数化分析风电叶片内窥检测机器人在能够保证足够负载能力的情况下,分析了风电叶片变桨运动和圆周运动对其在风电叶片内壁行走时支撑力的影响,在变径过程中的支撑机构支撑力和驱动力的变化情况,并与理论结果进行了对比,仿真的结果验证了理论结论的可靠性,为风电叶片内窥检测机器人的进一步研究奠定了基础。