关键词： 空间机器人   捕获目标   接触碰撞   动力学   镇定控制  

摘要： 随着航天技术的发展,越来越多的航天器被运送到太空投入使用,而此时对出现故障的航天器进行在轨捕获维修、报废回收等航天操作任务也越来越繁重。在极端恶劣的太空环境中,利用空间机器人协助或代替宇航员完成各种目标航天器的在轨捕获等操作具有很好的应用前景。本文以三种不同结构形式的漂浮基空间机器人为对象,对其捕获目标过程的接触碰撞动力学和捕获后的镇定控制展开研究。根据多体系统动力学理论,分别推导得到单臂刚性、单臂柔性和双臂刚性三种不同结构形式空间机器人系统的动力学模型;在此基础上,对三种不同结构形式空间机器人系统,利用动量定理分析其捕获目标过程受到的接触碰撞效应;而后,联立空间机器人和目标的动力学模型,进一步推导得到三种结构形式空间机器人捕获目标后与之形成的组合体系统动力学模型,由于受到接触碰撞的影响,将会使捕获目标后的组合体系统产生不稳定运动。首先,针对结构比较简单的单臂刚性空间机器人系统,根据不同的情况,设计不同控制算法对其捕获目标后不稳定运动组合体系统进行镇定控制：当目标参数值未知时,设计自适应控制算法对组合体系统进行镇定控制,通过对未知参数进行实时在线计算调整以克服其对控制效果的影响;当目标参数值范围已知,而精确值不确定时,则设计鲁棒控制算法进行镇定控制以减小控制算法的计算量,从而提高控制器的响应速度;当目标参数值未知,且空间机器人参数值不确定时的更复杂情况下,结合上述控制算法,设计鲁棒自适应复合控制算法以实现对组合体系统的镇定控制;当存在未知干扰时,设计基于干扰观测器的滑模镇定控制算法可以有效克服未知干扰的影响,同时可以消除滑模控制算法的抖振问题,充分提高其鲁棒性;当组合体系统动力学模型未知时,设计自学习能力较强的神经网络控制算法进行镇定控制,该控制算法基本上不依赖于系统的动力学模型,其适用性更强。接着,考虑机械臂连杆柔性特点,针对单臂柔性空间机器人捕获目标后的组合体系统,同样在不同情况下,设计不同控制算法实现对其镇定控制,并进一步考虑对柔性连杆弹性振动的抑振：当目标参数值确定、未知和不确定时,分别设计线性反馈、自适应和鲁棒控制算法对组合体系统进行镇定控制,同时增加对应的抑振控制算法对柔性连杆弹性振动进行抑振;考虑到上述抑振控制算法会对镇定控制算法产生影响,基于奇异摄动法将组合体系统分解为慢变子系统和快变子系统,并分别基于两子系统设计神经网络镇定控制算法和线性二次最优抑振控制算法,以避免两种控制算法的相互影响;为了减小控制算法的复杂性,基于混合轨迹只需设计神经网络一种控制算法就可实现镇定和抑振的同时控制。而后,针对结构形式比较复杂,但更加灵活和可靠的双臂刚性空间机器人系统,在不同情况下,对其捕获目标后形成闭链组合体系统设计不同的镇定控制算法：当组合体系统动力学模型确定时,设计线性反馈控制算法并增加相应的内力控制项,实现对闭链组合体系统的力/位形协调镇定控制;当组合体系统动力学模型未知时,基于上述控制算法,并增加相应的鲁棒补偿项而得到一种鲁棒控制算法对组合体系统进行镇定控制;当存在未知干扰时,设计基于干扰观测器的滑模控制算法进行镇定控制,可有效克服干扰的影响,并消除滑模抖振问题。最后,对上述各种控制算法进行稳定性的理论证明,并通过计算机进行数值仿真以验证其镇定控制效果。

关键词： 青少年   机器人   竞赛   全国人口普查   老龄化社会   老年人口   中国   显示  

摘要： 第五次全国人口普查显示,我国60岁以上老年人口已达到1.3亿,预计到2015年,60岁以上人口将超过2亿,约占总人口的14%。中国已进入老龄化社会,老龄化所带来的一系列问题日益凸显。

关键词： 空间机器人   变拓扑结构   动力学建模   自重构轨迹规划   参数辨识  

摘要： 随着航天技术的发展，未来的在轨服务任务越来越复杂，要求越来越高，传统的单臂空间机器人已不能满足要求，而采用多个机器人又增加了系统的复杂性和成本。因此，自重构多分支机器人将起着越来越重要的作用。然而，由于系统拓扑结构多变，为动力学建模及轨迹规划带来了巨大挑战。基于此，本文开展了自重构多分支空间机器人系统的变拓扑动力学建模、可重构轨迹规划及动力学参数辨识等的研究。 自重构多分支空间机器人在轨执行任务的过程中，具有自由飞行多臂、单足-多臂、多足-单臂等多个工作模式，拓扑结构不固定。为分析其动力学特性并为轨迹规划与控制提供依据，建立了其变拓扑动力学模型，并开发了C语言计算程序。利用关联矩阵和通路矩阵描述了不同工作模式的拓扑结构，推导了统一的状态方程，采用Runge-Kutta-Gill积分法进行数值求解。当拓扑结构发生变化时，自动改变相应的关联矩阵和通路矩阵，同时更新状态方程所对应的广义力和状态变量，实现了不同工作模式下动力学模型的自重构。为提高动力学模型的计算效率，开发了基于C语言的动力学求解程序，并与ADAMS软件所建立的动力学模型进行比较，结果表明了所建模型的准确性。 为确保多分支机器人结构上的自重构，将顶层任务规划与底层轨迹规划结合起来，提出了多级自重构轨迹规划方法。根据空间任务的特点，将机器人所需要执行的任务分为自身接触与非自身接触两类，对各种工作模式进行相应的动作划分，综合了动作的冗余部分，为底层轨迹规划减少了工作量。底层规划算法设计成多个可配置算法模块的组合，这些模块包括逆运动学模块、关节空间插值模块和正运动学模块。顶层任务规划与底层轨迹规划的结合，实现了多分支机器人规划算法的自重构。 由于自身燃料的消耗，或捕获了未知目标，整个空间机器人系统的动力学参数发生了变化，为轨迹规划和控制带来了不利影响。因此系统的参数辨识极其重要。本文提出了基于角动量守恒和PSO优化的方法，实现了无力矩传感器下整个系统动力学参数的辨识。空间机器人抓持目标后，将各关节锁死，使整个系统等效为一单刚体，通过执行姿态及轨道机动，辨识出等效单体参数。再将机械臂的一个关节打开，把目标与空间机器人分别等效为两个刚体。利用动量守恒定律，推导了动力学方程。通过所打开关节运动，结合已辨识出的等效单刚体结果，实现了两等效体质量特性参数的辨识。辨识值与真实值对比表明了所提方法的有效性。 为对本文所研究的自重构轨迹规划方法进行仿真验证，开发了基于OSG的一体化仿真系统。该系统由3D几何模型、轨迹规划模块、控制模块及动力学模型组成，利用该系统开展了对空间机器人典型任务的轨迹规划仿真验证。

关键词： 船体清刷机器人   水动力学性能   CFD仿真   水动力试验研究  

摘要： 近年来,随着海洋资源的大力开发,水下机器人成为研究的热点问题,适用于各种领域的水下机器人开始广泛得到发展。船舶行业的快速发展,又使船体表面附着污损物的清刷越来越受到关注。本文研究一种可以实现自主清刷的水下机器人,对机器人的结构进行设计,并在此基础上进行水动力学的仿真与分析。通过水动力学试验的测试,验证与仿真数据的吻合度。本文的主要研究内容如下:为了得到更适用的船体清刷机器人,首先对机器人的国内外现状进行了概述,指出现有清刷机器人采用的吸附清刷方式及其局限性。在阐明机器人工作原理后,根据工作环境对各部分方案选择,设计出机器人的整体结构,包括吸附机构、行走机构和清刷机构的设计。其次,对机器人的外型机构进行了水动力学的研究。在确定出边界条件和湍流模型的参数下,采用Fluent软件将简化后的机器人模型进行水阻力的仿真计算。通过分析仿真结果,提出外型结构的优化方案。将优化前后的外型结构对比分析,验证优化后的阻力较小。之后,对机器人的水下稳定性进行研究。船体清刷机器人在水下作业需要保证吸附稳定性,通过对静止和行走状态的力学模型分析,确定出所需的最小吸附力。在理论模型分析下,并借助CFD软件对吸附机构进行仿真研究,确定出满足最小吸附力的条件。为保证姿态稳定性,对机器人的重心与浮心进行计算,通过理论计算来调整重心与浮心的位置,实现机器人的稳定性工作。最后,搭建试验平台,对做出的实物样机进行水动力学试验测试。试验测试包括水阻力测试、机器人水下行走速度测试、吸附力测试和整体性能测试四部分。通过对前三部分的测试,验证前面章节理论模型和仿真数据的吻合度;对机器人整体性能测试,研究各部分结构在实际清刷中的作用及其效果。在本文研究的基础下,可验证出机器人的理论仿真与试验的吻合度好,同时,为后期船体清刷机器人进一步改进奠定了理论基础和技术依据。

关键词： 智能机器人  

ISBN: (纸本)9787115361585

摘要： 机器人学是一门高度交叉的前沿学科，引起了机械学、生物学、人类学、计算机科学、控制科学与工程、电子工程学、人工智能、社会学等不同专业背景学者的广泛兴趣，学者们对其进行了深入研究。本书共分12章，系统地介绍了机器人的基本组成、工作原理和应用实例，内容涉及机器人技术的发展简史、工业机器人的运动学和动力学、机器人控制技术、用于机器人的各种传感器、机器人轨迹规划、移动机器人的定位与导航，以及机器人在工业领域和服务领域的应用。　　本书既可作为高等院校控制、检测、电工、机电一体化、计算机应用及其他相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可以作为广大从事控制或检测，以及正在学习机器人的工程师和技术人员的工具书或者培训教材。

关键词： 神经元   尖峰神经元模型   多巴胺   强化学习   学习能力   突触强度  

摘要： 随着科技的发展机器人逐渐从工业扩展到服务性行业,相比于工业机器人的结构化环境,服务性机器人由于所处的环境是复杂多变的,所以对于机器人的要求就会更高。本文在国家自然科学基金项目的资助下,借鉴生物学的智能来研究机器人的学习方法,具有较高的研究价值。主要内容包括： (1)分析比较了第三代与之前的神经元模型,选择了适合本文的尖峰神经元模型。深入的对尖峰神经元的三种代表性模型进行仿真并比较各自的优缺点,在以较小的复杂度达到较高的生物学的真实性基础上选择了适合本文的Izhikevich模型。重点讨论了Izhikevich模型,对常见的6种尖峰进行仿真研究,深入了解了模型中各个参数的作用。 (2)研究了尖峰神经元群在时间和空间上的整合问题,并通过仿真实验分析了突触前神经元数目对突触后神经元的影响。通过改变突触前神经元刺激的时间间隔,给其输入一个较大刺激(电流)使其产生尖峰,研究了外部刺激的时间间隔对突触后神经元的影响,仿真结果表明,时间间隔过大时,突触后神经元不会产生尖峰。研究了多巴胺在条件反射过程中的活动特性以及对突触可塑性的调节作用。利用Izhikevich模型探讨了多巴胺调节的LTP、LTD,通过仿真实验研究了多巴胺在学习过程中的作用,探讨了突触强度与多巴胺延时释放时间之间的关系。 (3)在simbad仿真平台上,利用强化学习思想把尖峰神经元模型应用到机器人学习中。设计了机器人走迷宫实验,编写仿真程序,通过多次模拟训练提高机器人的学习能力,仿真结果说明了该方法的有效性。 (4)研究了影响机器人学习能力的因素,通过改变迷宫复杂程度以及构成传感器信息处理单元和控制器的神经元数目来研究机器人的学习能力,利用此实验验证了延时时间对机器人学习能力的影响。 本文相关研究成果为今后研制具有更高智能和生物学基础的机器人具有积极地意义。

关键词： 自动配线   偏心模型   误差分析   刚体动力学  

摘要： 随着互联网业务的高速发展,光纤已经大范围的应用到通信领域中,与传动线缆配线一样,光纤配线不仅会花费大量的劳动力与劳动时间,还会产生严重的线缆缠绕现象,不利于线缆的管理与再应用。因此,能够快速的、准确的、避免缠绕的新型网络配线机器人成为市场的主要需求之一。目前,国外在此领域内已经有多种自动配线机的产品,国内在此区域内尚属于空白,因此为了弥补国内在此方面的空白,本课题组提出了一种新型的圆周型自动配线机器人,并以此新型的自动配线机器人为基础,展开了相关的研究工作 首先根据提出的配线数学模型,建立了新型样机,而其中样机的收线盘柱关系到自动配线机的线缆管理,设计的好坏会严重影响机械手的操作精度,因此本文对光纤收线盘柱进行了设计和改进,并提出了一种偏心布线模型,在满足需求的前提下大大降低了成本,试制试验结果良好。 其次,根据设计的配线机模型,分析了此配线机的误差产生的主要因素：齿轮传动侧隙的影响、齿轮传动轴扭转变形的影响以及大齿轮圈径向跳动的影响。通过对这三种影响因素的仔细分析,建立了相应的误差分析方程,得到了相关的误差影响因子及相应的影响结果,为配线机的位置精确控制提供了详细的数据分析基础,为位移误差的补偿控制提供了理论支持。 最后,详细分析了此配线机的动力学特性。根据配线机器人的跳线运动过程,作者把配线机器人的运动分为了齿轮传动和机械手运动两个相对独立的运动模型。齿轮传动中采用了等效刚体动力学的方法,建立了准确的等效动能方程,求解了驱动电机的力矩随着负载的变化而变化的关系方程,并运用SolidWorks中的Motion分析了其运动特性。机械手的运动采用牛顿力学方法,求解了机械手运动的位移方程,为机械手的位移控制提供依据。 本论文通过以上的三个主体部分,详细地分析了此种配线机器人的误差与动力学特性,得到了相关的误差方程和动力学方程,为配线机器人的自动控制提供了详细的理论基础。同时,仔细分析了配线机器人误差产生的原因,提出了减小误差的办法,并对动力学方程进行了求解,同时采用适当负载,为电机的选型以及系统的运载速度规律做出了详细的参考。

关键词： 多非完整移动机器人   自适应控制   驱动器动力学   反步技术   编队控制   领航者-跟随者   不确定性  

摘要： 针对含有驱动器及编队动力学的多非完整移动机器人编队控制问题,基于领航者-跟随者l-ψ控制结构,通过反步法设计了一种将运动学控制器与驱动器输入电压控制器相结合的新型控制策略。采用径向基神经网络(RBFNN)对跟随者及领航者动力学非线性不确定部分进行在线估计,并通过自适应鲁棒控制器对神经网络建模误差进行补偿。该方法不但解决了移动机器人编队控制的参数与非参数不确定性问题,同时也确保了机器人编队在期望队形下对指定轨迹的跟踪;基于Lyapunov方法的设计过程,保证了控制系统的稳定与收敛;仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词： Science education   Mathematics education   Colleges & universities   Athletes  

摘要： The article features the varsity robotics team at Newton High School in New Jersey. Topics discussed include a description of how high school teacher James Hofmann created the team and brought the For Inspiration and Recognition of Science and Technology (FIRST) experience to his community, how the team achieved its varsity status, and the support it gets from the local industry.

关键词： 柔性关节   动力学建模   跟踪控制   勒让德伪谱法   振动抑制  

摘要： 针对柔性关节空间机械臂动力学建模与仿真问题,以空间三维四连杆柔性关节机械臂模型为研究对象,考虑扭转弹簧非线性刚度系数、惯性耦合等因素,应用Lagrange方程建立动力学模型。通过由连续线性反馈环节组成的PD控制器,仿真验证了推导模型的正确性,同时分析比较了不同关节刚度系数的取值对于系统稳定性能的影响。当刚度系数较小时,关节柔性则比较大,对系统的稳定性十分不利;当刚度系数较大时,关节柔性则比较小,更有利于系统的稳定性。振动抑制问题是柔性关节空间机械臂控制的一个难点。在上述研究基础之上,通过求解能量最优的非线性控制问题,较好地解决了这一难题。通过Legendre伪谱法,将复杂的两点边值非线性最优控制问题转换为对应的非线性规划问题,然后利用SNOPT进行了求解。仿真结果表明,与传统控制器相比,该方法能够顺从关节柔性的影响,机械臂运动轨迹平滑,较好地抑制了由柔性引起的振动现象。由于消除了残余振动,同时也确保了机械臂末端的控制精度。