关键词： 机器人学  

ISBN: (纸本)9787568033930

摘要： 本书包含十七章。第1章为概述，介绍机器人的内涵、应用以及机器人学的研究方向。建模部分包括第2章至第7章，系统介绍机器人机构，刚体位姿描述和齐次变换，刚体速度和静力，操作臂运动学、雅可比矩阵和操作臂动力学。控制部分包括第8章至第13章，介绍轨迹生成、轨迹控制、力的控制、运动规划、协调控制和自适应控制。视觉部分包括第14章至第17章，介绍视觉图像处理、视觉运动控制、轮式移动机器人和飞行机器人。

关键词： 焊接机器人   焊接质量   运动学   动态响应  

摘要： 工业机器人在提高效率、稳定产品质量、提升企业竞争力方面有着无可替代的作用,其中焊接机器人在各种工业机器人中占据非常重要的地位,在焊接环境恶劣且焊接质量要求高的场合,焊接机器人代替人工将成为一个必然的发展趋势。结合传统串联工业机器人与并联工业机器人的优点,本文基于一种新型多自由度可调式焊接机器人,采用平行四边形机构可以提高机构的强度,并且还具有结构紧凑的优点。该新型焊接机器人在平行四边形臂上臂连杆引进滚珠丝杠,可以实现机器人末端水平滑动、调节焊枪位置,以保证定位精准从而实现机器人定位微调;另外在平行四边形臂主动臂上安装支撑油缸,可以辅助支撑机器人,增加机器人的刚度,保证机器人运行平稳,并改善了机器人的动力学性能。因研究设计焊接机器人的最终的目标是应用于工程实际中,为了达到实际生产中焊接机器人在焊接过程中的焊接质量以及焊接效率的要求,有必要对焊接机器人的运动学性能以及动力学性能进行分析。本文研究目的是以一种新型多自由度可调式焊接机器人为研究对象,对研究设计焊接机器人过程中一些存在必要的运动学以及动力学的问题进行研究。主要的内容包括:首先,本论文针对一种新型多自由度可调式焊接机器人进行了机械结构分析,在此基础上采用D-H法求解机械臂的正运动学解以此来研究机械臂末端执行部件的位姿;利用Paul反变换法求解逆运动学根据末端机械臂给定初始位姿研究各关节角度变化;继而基于Matlab平台的Robotics Toolbox机器人工具箱分别对正运动学D-H参数模型以及逆运动学模型进行仿真分析。其次,焊接机器人在轨迹规划方面采用高次多项式拟合关节空间的轨迹,利用Robotics Toolbox机器人工具箱对机器人进行轨迹规划仿真验证;同时在工作空间分析方面,采用遍历法与边界法分别对机器人进行工作空间分析,并利用Robotics Toolbox进行仿真验证。再者,根据焊接机器人的本体结构形式采用第二类Lagrange法建立刚体动力学模型;结合Creo软件计算相关结构参数并基于Matlab平台的Robotic Toolbox机器人工具箱对机器人动力学进行仿真计算得到外界驱动力的变化规律。最后,采用有限元法建立空间梁单元的动力学模型;基于焊接机器人的受力特性的基础上,建立机构系统的有限元弹性动力学模型;在此基础上,对其进行固有特性以及动态响应分析,继而分别采用ansys workbench分析焊接机器人的机械臂的模态以及利用ADAMS对其机械臂进行刚柔耦合仿真求解末端执行部件的动态性能,以此来评价焊接机器人在焊接过程中的焊接精度,可为进一步优化焊接机器人在焊接过程中的动态性能以及轻量化提供理论依据。

关键词： Nonlinear dynamic   magnitude-frequency characteristic   dynamic response   piezoelectric drive system  

摘要： To improve the robot joint's control precision, a piezoelectric precision drive system is proposed. The proposed system has merits of fast response and compact size. Using continuous dynamic theory, the nonlinear coupled dynamic models and equations of the drive system are established. Applying Linz Ted-Poincare Method, the approximate solutions of nonlinear solutions are solved. The magnitude-frequency characteristics are also analyzed. What's more, the effects of nonlinear piezoelectric characteristic on the system's dynamic performance are investigated yet. Results show that the jump phenomenon of vibration amplitude occurs in nonlinear resonance. Meanwhile, the nonlinear piezoelectric characteristic influences the dynamic performance of the drive system obviously. These results can be used to predict the dynamic load of the piezoelectric precision drive system.

关键词： 机器人课程   VEX机器人   创客教育   课程设计  

摘要： 近年来,中国正在实施创新驱动发展战略,全国范围掀起了“大众创业,万众创新”的热潮,创客教育如雨后春笋般涌现。创客教育俨然成为学校实施素质教育、培养核心素养的重要途径。在基础教育阶段,机器人教育是培养中小学生创新实践能力的重要途径。在2015年首届“全国大众创业万众创新活动周”(“双创周”),李克强总理亲身力推“大众创业,万众创新”,我国学者和教育工作者正逐渐意识到机器人教育的重要性和开展机器人教育的必要性。尽管国内很多学校已经开设了机器人课程,但是由于缺少专业的师资、教学方式单一、教学设计不规范等问题,影响了培养学生创新实践能力的效果。卡内基梅隆大学机器人学院罗宾教授指出,“以往大多数教师忽视机器人教学本应关注的关键创建过程,这样的教学使学生在设计过程中过于随意,规避可能出现的数学问题。这些教学方法削弱了学生解决问题的能力,使学生失去了学习的机会”。因此,基础教育阶段的机器人教育迫切需要有效的教学改革。创客教育为教育创新带来了希望,使当前机器人教育“重形式,疏于创新能力培养”的现状得以改变,突破传统教育观念的束缚。本人所在学校开设了一系列创客课程,本人承担了VEX机器人社团、物联网创客小组、格斗机器人等创客课程的教学工作,结合教学实际展开研究,以期给正在探索小学机器人创客课程教学设计的同仁一点启示。本论文主要包括五章内容,分别是绪论、核心概念界定与理论基础、机器人竞赛项目分析与机器人课程设计、创客教育视域的机器人课程设计与应用案例和总结与展望。以下是每章的主要内容概述:第一章是绪论。绪论部分主要阐述了论文研究的背景、研究的意义和价值,综述了国内外创客教育课程设计研究现状和国内外机器人课程设计研究现状,在此基础上分析了论文的研究思路和内容。第二章是核心概念界定与理论基础。这一部分主要包括核心概念的界定和理论基础两个部分。核心概念主要包括创客、创客教育、创客空间、机器人教育和机器人课程。理论基础主要阐述了杜威实用主义教育理论、情境学习理论和建构主义理论。第三章是机器人竞赛项目分析与机器人课程设计。这一部分首先介绍了机器人竞赛起源和机器人竞赛项目;其次论述了机器人课程内容,分析了机器人课程存在的问题和机器人课程问题解决的应对策略;最后,针对机器人竞赛项目进行机器人课程设计,确定了机器人课程目标、机器人课程内容、机器人课程教学过程和机器人课程教学评价体系。第四章是创客教育视域的机器人课程设计与应用案例。这一部分根据课程设计框架,分别从机器人搭建、机器人编程和探索式主题活动三个不同的课程内容方面,提供了三个机器人竞赛项目的机器人课程设计与应用实例,从而验证了此创新课程设计框架的有效性。最后一章是总结与展望。这一部分对本论文的研究进行总结,同时反思创客教育视域的机器人课程教学设计框架的局限性,并展望机器人课程教学设计的发展方向,为今后机器人课程教学设计提供借鉴。

关键词： Soft robots   dexterity   softness   body compliance   elastomer   health care  

摘要： Biology has always motivated engineers to come up with efficient and reliable machines to move in complex environments. The dexterity, softness, and body compliance of natural system such as cephalopods or caterpillars have inspired robotic engineers to incorporate soft, deformable materials such as gels and elastomers into their designs. Hence, the inception of soft robots shifts the paradigm and trends in robotics, which could potentially revolutionize health care, human-robot interaction, field exploration, rehabilitation, and related applications. Throughout this review article, we have restricted our discussion to the applications of soft robots in biomedical domains exclusively and the perennial challenges faced therein.

关键词： 机器人学   同时定位与建图   闭环检测   孪生网络   残差网络  

摘要： 自主移动机器人正广泛应用于家庭服务、智能商业、智能交通、军事侦察等领域。机器人同时定位与建图(SLAM)是机器人领域的一个基础问题。其中,闭环检测是SLAM的重要组成部分。现有的闭环检测方法主要基于词袋模型,利用手工设计的特征来实现闭环检测。然而基于手工设计特征的词袋模型鲁棒性较差,尤其在遇到新场景时难以提取有效特征。为了提高机器人视觉SLAM闭环检测方法的适应性,本文尝试用基于学习的特征替代手工设计的特征来实现闭环检测。在机器人同时定位与建图中,要实现闭环检测首先需要提取摄像头采集的图像的特征,进而通过特征之间的相似性来判断是否检测到闭环。传统的闭环检测方法主要基于手工设计的特征,如SIFT、SURF、ORB等,这些手工设计的特征在实际应用中表现出较大的局限性,尤其难以应用于特征不明显或者未见过的新场景。另一方面,基于学习的特征逐渐在多种应用中表现出良好的适应性。本文提出了一种基于监督学习的闭环检测方法,简称孪生残差网络,它一方发面借鉴了孪生网络的度量学习思想,另一方面发挥了残差网络良好的特征表达能力。结合孪生网络和残差网络的优点,孪生残差网络能够有效的提取图像的抽象特征并将此特征用于度最学习。将孪生残差网络应用于机器人视觉SLAM领域能够取得优于手工设计特征的表现。作者完成的主要工作如下:(1)提出了一种面向孪生网络构建训练集的方法(2)设计有效提取特征的网络结构(3)建立评估机制用以比较不同方法。通过在不同测试集上对孪生残差网络与词袋模型方法的测试结果可以看出,在机器人视觉SLAM闭环检测方面,基于学习的闭环检测方法表现出更高的准确率、更好的鲁棒性和更短的耗时。基于学习的闭环检测方法有望使得视觉SLAM应用于更多场景,从而促进自主移动机器人的发展和应用。

关键词： 机器人竞赛   机器人教育  

摘要： 近年来,随着各种机器人竞赛活动的蓬勃兴起,机器人教育逐渐引起了学生、家长以及各级各类学校的关注,在最新的义务教育阶段信息技术课程标准和《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要》中,机器人的设计和制作相关内容被列入信息技术课程选修课程。该文章分析了将机器人竞赛引入学校教育的意义,同时对如何有效的做好机器人竞赛辅导工作提出了可行的建议。

关键词： 全向轮   全向移动机器人   摩擦力   动力学模型   自适应滑模控制  

摘要： 全向轮是一种结构特殊、运动机能良好的全方位移动机构,它所搭载的全向移动机器人可以在任一平面内实现三自由度(水平、垂直和旋转)运动。而且,深入研究移动机器人的运动控制问题,可以很大程度上激发它潜在的运动能力,发挥它的运动优势,满足人们对全向移动机器人高精度、高自由度的需求。因此,全向移动机器人作为新时代快速发展的科技产物,具有极高的学术研究意义和现实使用价值。全向移动机器人是一种典型的非完整约束、囊括诸多不确定性因素的复杂系统。机械结构的误差、接触面的粗糙程度、外界的不定干扰等因素都会对全向移动机器人运动性能造成影响。论文以四轮全向移动机器人为研究对象,以全向轮与地面接触产生的摩擦力对移动机器人精确运动造成的影响作为研究重点,在借鉴、分析国内外已有的类似文献和研究基础上,作出如下研究:文章首先介绍了不同种类的全向轮,并对当前已有各种全向轮的优缺点进行了比较分析,突出了本文研究对象所采用的全向轮的特点。其次,基于其特殊结构和布局,对全向轮在转动过程中所受到的力进行详细分析,主要研究主动轮、从动轮所受地面摩擦力对移动机器人精确运动造成影响的问题;再以牛顿—欧拉动力学方程为基准,按照先局部后整体的逻辑顺序,依次建立单个全向轮和机器人整体的考虑摩擦力的动力学模型。之后,采用简单的PD控制验证摩擦力对移动机器人造成的影响。为减小摩擦力的影响,提高移动机器人运动控制的精度,论文依据机器人系统中物理矩阵之间存在的关系式,提出了一种新的滑模控制方法,并设计新的自适应控制率来减小滑模控制的抖震,再依据Lyapunov函数证明了此控制方法的稳定性。之后,使用MATLAB/Simulink结合S-Function对全向移动机器人进行仿真,分析不同路径下轨迹跟踪的结果,并在同等条件下与采用PD控制器的仿真结果比较,从而证明自适应滑模控制方法的有效性、精确性。最后,结合实验室已有实验设备,通过模拟路径实际操作,证明文章的观点。论文结尾做出总结,阐述了本课题的创新点和主要研究成果,以及本课题所具有的现实应用意义,并对研究中存在的不足之处和亟待改进之处提出展望。

关键词： 空间机器人   柔性基   柔性关节   轨迹追踪   振动抑制  

摘要： 在地球资源及空间日渐匮乏的21世纪,外太空已成为人类未来生存及发展的必争之地,但恶劣的外太空环境并不适于人类进行长时间舱外作业,更有甚者会对其生命安全构成潜在的威胁。为解决上述问题,具有人类手臂作业特性的空间机器人登上了历史舞台,并开始发挥其预期的应用优势。近年来,为了降成本、提效率,空间机器人质量越发轻型化、结构渐显柔性化,而因此出现的基座、关节柔性已开始引人关注。为确保系统的控制性能,本文拟对同时存在基座柔性及关节柔性的空间机器人展开动力学建模与运动控制研究。首先,基于对基座、关节柔性变形的合理假设与简化描述,结合空间机器人系统动量守恒关系及拉格朗日方程,建立了平面两杆姿态受控柔性基、柔性关节空间机器人的整体动力学模型。其次,为实现对系统刚性轨迹追踪运动与基座、关节柔性运动控制器的独立设计,基于柔性补偿的奇异摄动技术对柔性基、柔性关节空间机器人整体动力学方程进行刚、柔性运动解耦,获得刚性慢变子系统及柔性快变子系统。再者,基于上述快、慢变子系统,设计合理的控制方案以实现不同工况下柔性基、柔性关节空间机器人的刚性轨迹精确追踪及柔性抑振控制。在模型参数确定工况下,为慢变子系统轨迹追踪运动提出两种控制方案:计算力矩控制方案及模糊控制方案。在模型参数不确定工况下,为慢变子系统提出模型惯性参数可在线实时调节的自适应控制方案及可主动补偿系统不确定性的改进鲁棒滑模控制方案。在模型参数不确定且有外部扰动的复杂工况下,先后为慢变子系统设计了两种复合控制方案:鲁棒自适应终端滑模控制方案及鲁棒自适应神经网络有限时间控制方案。对于表示基座、关节柔性振动的快变子系统,为简化控制器设计,忽略其系统不确定部分,均采用线性二次最优控制方案对系统的柔性振动进行抑制。将每种慢变控制方案分别与快变最优控制方案相结合,可获得不同工况下柔性基、柔性关节空间机器人的整体混合控制方案。最后,将所提各种控制方案分别在柔性基、柔性关节空间机器人系统中进行数值仿真验证,仿真结果证实了所提控制方案的有效性。

关键词： Embodiment   Human-robot interaction   Emotions   Experience co-creation   User experience   Consumer reviews  

摘要： Purpose - The purpose of this study is to explore consumer reviews with robotics based on the five dimensions for evaluating user experiences (i.e. embodiment, emotion, human-oriented perception, feeling of security and co-experience), as derived from research in human-robot interactions (HRI). Design/methodology/approach - The study first reviews the five dimensions for evaluating user experiences in HRI and then analyzes user experiences with robotics at four hotels (i.e. Yotel New York, Aloft Cupertino, Henn-na Hotel Japan and Marriott Residence Inn LAX) based on reviews on TripAdvisor, Agoda, Yelp and ***. Findings - The findings highlight the influence of robotic embodiment and human-oriented perceptions on consumer experiences. The findings also suggest that users and robots can co-create novel experiences, with some guests even proactively seeking new opportunities to interact and communicate with robots to develop a certain level of relationship with them. Research limitations/implications - An understanding of user experiences from HRIs can inform future hospitality and tourism research and management. Practical implications - This study contributes to hospitality and tourism management by highlighting current practices with robotics to suggest areas of improvements for enhancing future consumer experiences. Social implications - Consumer experiences will change rapidly as hospitality and tourism management deploys robotics in the future. Originality/value - This is one of the early studies in the field to explore consumer experiences with robotics based on the five dimensions for evaluating user experiences from research in HRI. In doing so, this study provides a number of theoretical and managerial implications relevant for hospitality and tourism research and practice.