关键词： 轮式机器人   动力学建模   高速漂移   姿态跟踪  

摘要： 能够高速、高机动地行驶是轮式移动机器人研制的主要目标之一。本文针对四轮独立驱动的高速轮式滑动转向移动机器人，围绕机器人高速行驶状态下的动力学模型及漂移控制方法进行研究，主要工作包括以下三个方面:\n 1)针对机器人在高速机动状态尤其是漂移状态下轮胎存在明显滑动并且失去运动学约束的问题，本文建立了适用于正常行驶状态（轮胎无明显滑动）和漂移状态（有纵向或横向的明显滑动，或同时存在）的统一动力学模型。本文首先引述了统一轮胎模型，阐述了如何计算漂移工况下地面对轮胎摩擦力;然后，以统一轮胎模型为基础对移动机器人进行了动力学建模，得到了其动力学方程，并对方程特点进行了分析。\n 2)针对机器人具有强耦合、冗余驱动、非线性等特点，本文以动力学模型为基础，设计了一种面向姿态角及姿态角速度跟踪的漂移运动控制器。首先，为了将动力学模型应用到漂移过程的姿态跟踪控制任务中，对姿态动力学方程进行了近似化处理;然后，借鉴线性滤波降阶方法设计了一种基于动力学的漂移运动控制器;最后，以NK-Rover2高速轮式移动机器人为基础，通过仿真与实验两方面对漂移运动控制器的性能进行了实验验证。实验结果表明，漂移运动控制器基本有效，可以完成基本的姿态漂移任务。\n 3)针对视觉导航、GPS等定位方法实时性差，不能满足高速漂移控制任务的问题，本文设计实现了高实时性的位置速度测量单元，为移动机器人定位提供了一种新的方法。

关键词： 空间绳系机器人   有限单元法   Hamilton原理   Newton—Raphson迭代  

摘要： 针对经典"珠子"模型在计算精度和求解速度方面的不足,提出了一种基于有限单元法的高精度建模与快速求解方法。首先在考虑系绳非线性应力-应变关系的基础上,利用Hamilton原理和C-W方程推导了系统在轨道坐标系下的动力学模型,然后使用三阶的一维单元对系绳进行了离散化处理,并给出了一种利用纽马克-β法进行预估,由Newton-Raphson法进行迭代校正的高效时域求解算法,从而实现了对于系统状态的高精度快速求解。仿真结果表明:与经典的"珠子"模型相比,在分段长度相近的情况下,本文的方法不仅求解精度更高,而且计算速度能够提高至少10倍,另外还能够避免仿真过程中张力出现虚假振荡。

关键词： 并联机器人   动力学建模   控制策略   逆运动学分析   轨迹跟踪  

摘要： 相对于传统的串联机器人，并联机器人具有结构紧凑、动态特性好、轨迹跟踪精度高、运行累计误差低等特点，这些特点很好的弥补了串联机器人的不足。目前，并联机器人的应用越来越广泛，少自由度并联机器人的研究更是吸引了大量学者的关注。本文以冯志友教授提出的含串联输入支链2UPS-RPU并联机器人为研究对象，对其运动学、动力学和控制策略等进行了深入的研究。\n 首先，介绍了2UPS-RPU并联机器人的结构特点，对并联机器人进行逆运动学分析，得到机构的速度及加速度方程。基于Lagrange法建立了该并联机器人的动力学模型，给出矩阵形式的动力学方程，并得出并联机器人的状态方程。\n 其次，基于2UPS-RPU并联机器人的状态方程，分别运用计算力矩控制法和基于动态规划的最优理论控制法对机器人系统进行控制，并利用MATLAB对2UPS-RPU并联机器人系统进行计算力矩控制和最优控制的动力学控制仿真，得到了有外界扰动影响时对系统控制的仿真结果，最后对比分析了这两种控制方法的抗干扰能力和实际控制效果。\n 最后，针对2UPS-RPU并联机器人在动力学建模时存在的未建模环节以及机器人在运动时所受到的外部干扰等诸多不确定性因素，提出应用鲁棒控制律对并联机构动平台进行运动轨迹跟踪控制，并运用Simulink进行仿真实验验证。仿真实验结果表明，鲁棒控制律对诸多不确定因素所产生的最坏影响有很好的抑制作用，可确保机构动平台具有较高的轨迹跟踪精度和较快的响应速度。

关键词： TELEPRESENCE   ROBOTS -- Evaluation  

摘要： The article evaluates the Double telepresence robot from Double Robotics.

摘要： Closed kinematic loops occur in many different robotic systems. Simply grasping an object with two or more arms, generates a closed kinematic loop. Recently, ESA commissioned a feasibility study for the deorbiting of Europe’s largest earth observing satellite – Envisat. It is expected that multiple arms are needed in order to grasp this satellite, which would generate a closed kinematic loop. The German Aerospace Center DLR would like to contribute to this feasibility study and simulate the deorbiting of Envisat. The SpaceDynamics Library, a simulation environment of the DLR, is however incapable to simulate robots with closed kinematic loops. The thesis discusses the dynamic modeling of robots with closed kinematic loops and shows the implementation and validation of an algorithm, in order to enable the dynamic modeling of closed loops with the SpaceDynamics Library.

关键词： 并联机器人   运动学   工作空间   动力学   仿真   优化设计  

摘要： 近年来,越来越多的专家学者将其精力投入到了并联机器人的研究中,一大批独具特色的并联机器人机构也相继被开发出来,有的甚至已经得到了实际应用。相比于传统的串联机器人,并联机器人承受载荷的能力更强,精度更高,结构也更加简单。因此,其应用前景不可限量。本文以4PUS-1PS型并联机器人为研究对象,在借鉴了前人在相关领域的研究成果的基础上,重点分析了该型并联机器人的运动学、工作空间、动力学、虚拟样机仿真及参数优化设计等问题。 本文首先对4PUS-1PS型并联机器人的结构特点进行了分析,并基于矢量法和坐标变换法建立该型并联机器人的运动学逆解模型。在此基础上,结合机构运动过程中的约束条件,运用MATLAB软件编制程序,绘制出给定结构参数时的机器人工作空间图谱。然后基于拉格朗日动力学方程,分析了系统能量变化关系,建立了该型并联机器人的动力学模型。同时,基于ADAMS软件对机器人进行虚拟样机仿真,绘制仿真曲线,并与理论模型结果进行对比,验证了运动学、动力学模型的准确性。最后,基于虚拟样机技术,建立机构参数模型,将对机构目标性能影响较大的关键参数设置为设计变量,求解使机构目标性能达到最优时的设计变量的组合,实现了优化设计的目的。 上述研究成果为该型并联机器人控制系统设计以及实际应用提供了理论基础,为其他类型并联机器人的相关研究提供了借鉴。

摘要： Satellite failures that once led to end-of-life may eventually be addressed using robotic servicing platforms. The ability to model and simulate the physical interaction between two free-floating spacecraft is a key aspect of robotic servicing, and understanding how large appendages such as solar panels, antenna arrays and booms affect the combined system dynamics may be critical to mission operations. This research presents a model of the coupled rigid- and flexible-body satellite dynamics that can be implemented on a robotic satellite simulator. The coupled dynamics are validated against a commercially available dynamics software package, and robot hardware-in-the-loop tests are conducted to demonstrate how the dynamics model is able to predict the response of a robot mass simulator outfitted with physical appendages. Through both validation efforts, a flexible-body simulation is developed to observe the resulting dynamics of a given satellite system on-orbit.

关键词： IRobotQ3D   乡镇高中   机器人教学软件   机器人选修课  

摘要： 乡镇高中机器人教学作为一些课外选修、兴趣学科,面对的现实是实验器材少、训练场地的制约,难以全面普及。近年来,高仿真的3D虚拟机器人软件开始出现,而IRobotQ3D就是其中功能比较全面的,通过选择它作为教学软件,可以在乡镇高中学生中形成机器人选修教程,从而推动乡镇高中一定的机器人普及教育。

关键词： 自由漂浮空间机器人   飞越式逼近   在轨抓捕   混沌差分进化   有限时间稳定   滑模变结构控制   RBF网络   地面验证实验  

摘要： 空间机器人在轨抓捕相关技术是高级在轨服务的关键技术之一。由于空间机器人动力学结构呈现复杂的非线性及耦合特性,使得在轨抓捕操作面临动力学与控制等方面的诸多难题。此外,若抓捕对象为故障或失效航天器等非合作目标,其对空间机器人的运动规划与控制提出了更大的挑战,相关技术是目前航天工程领域研究的热点问题。论文针对空间机器人快速在轨逼近与抓捕一类非合作目标的难点问题,系统深入地研究了空间机器人逼近与抓捕过程动力学建模、运动规划、抓捕过程轨迹跟踪控制以及抓捕后协同控制等问题。全文的主要工作概括如下:1.建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程的动力学模型,揭示了空间机器人动力学特性及受重力梯度扰动下的姿态动力学响应特性。(1)针对空间机器人飞越式逼近过程,建立了空间机器人与目标相对运动轨道动力学模型;针对空间机器人抓捕过程,建立了空间机器人抓捕操作动力学模型;将空间机器人与目标接触假设为瞬时过程,建立了空间机器人抓捕目标后耦合系统动力学模型。将以上模型映射到同一坐标空间,建立了空间机器人在轨逼近与抓捕全过程的系统动力学方程。(2)针对空间机器人飞越式逼近与抓捕过程中处于自由漂浮模式的特点,从系统约束特性和动力学奇异性方面解析分析了自由漂浮空间机器人动力学特性,揭示了其对空间机器人工作空间的影响;研究了空间机器人关节零反作用空间特性,提出了关节空间动力学解耦运动条件。通过仿真算例验证了理论与方法的有效性。(3)研究了作为主要环境扰动的重力梯度力矩对自由漂浮空间机器人的姿态扰动影响,建立了考虑姿态与轨道耦合作用的自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动动力学方程;针对不同轨道参数和初始条件仿真分析了系统姿态动力学响应,包括空间机器人关节无控时姿态受扰动分析、关节锁定时俯仰姿态受扰动分析以及长时间工作时末端位姿影响分析。揭示了受重力梯度扰动自由漂浮空间机器人姿态动力学的非线性特征。2.提出了空间机器人快速逼近与抓捕过程的一体化运动规划方法。(1)针对一类非合作目标在轨抓捕问题,提出了空间机器人飞越式逼近中同步抓捕目标的快速抓捕策略;针对抓捕过程中空间机器人运动特点,分别定义了飞越式逼近的飞行阶段和机械臂抓捕实现流程;基于瞬时接触过程的基本假设,建立了空间机器人与目标接触过程的角动量传递模型,利用模型设计了抓捕过程对空间机器人的基座姿态扰动最小约束条件。(2)从物理约束、任务约束和安全约束方面提出了空间机器人逼近轨迹和抓捕轨迹设计指标,系统建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程一体化运动规划模型。提出了基于混沌差分进化算法的规划模型求解思路和实现流程,针对典型算例开展了数值仿真,验证了规划模型和求解算法的有效性。3.提出了空间机器人在有限时间内快速抓捕和转移目标的轨迹跟踪控制方法。(1)针对空间机器人在逼近过程中抓捕目标问题,提出了有限时间变结构控制方法;在此基础上,针对空间机器人系统参数不确定性和非参数不确定性,建立了径向基函数(Radial Basis Function,RBF)网络补偿模型自适应补偿控制系统模型误差,提出了自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;进一步考虑关节执行器输出饱和问题,基于双RBF网络补偿模型提出了约束自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;利用仿真算例将上述控制方法与传统滑模控制进行了对比分析,验证了所提出的控制方法在收敛时间和收敛精度等方面的改进效果。(2)针对空间机器人捕获目标后的耦合系统转移目标操作,提出了机械臂末端工作空间动力学解耦条件,使耦合系统仅驱动机械臂即可实现对目标与基座姿态的独立控制;在此基础上针对转移操作时间有限和复杂环境扰动因素,提出了目标转移操作中对基座姿态无扰动的有限时间协同控制方法;利用仿真算例开展了对比分析,验证了控制算法的有效性。4.设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案,开展了动力学特性及控制算法的地面验证实验。利用基于气浮式微重力平台的地面验证实验系统,设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案;对空间机器人在自由漂浮模式下的动力学耦合特性分析结果和该模式下基座无扰动控制算法开展了地面验证实验,实验结果验证了论文理论模型与仿真计算的正确性。综上所述,论文研究了空间机器人飞越式逼近运动中同步抓捕目标过程的动力学、规划与控制问题,系统地提出了针对一类非合作目标的快速在轨抓捕策略、模型和方法。这些理论模型与控制算法对空间机器人在复杂空间环境中实施抓捕任务具有工程参考意义。

关键词： 码垛机器人   动力学模型   实时重力补偿  

摘要： MDJ90码垛机器人是一种用于完成生产线上物料搬运和码放的机器人。通过运用机器人的相关理论,对该机器人进行了运动学和动力学分析,并总结分析了该机器人的特点。在建立了基于拉格朗日方程的动力学模型基础上,对机器人采用了实时重力补偿的控制方案,通过仿真实验表明了该方案的有效性。目前,相应的技术已经应用于机器人的现场作业中。