关键词： 水下机器人   FLUENT仿真   水动力系数   操纵性  

摘要： 大海深处蕴藏着丰富的宝藏及诸多不为人知的奥秘,作为打造海洋强国必需的利器,水下机器人可以助力人类大踏步地向“深蓝”挺进。它们工作于复杂多变的海洋环境,具有高度非线性和时变的水动力性能,精准的水动力系数对其安全性、经济性和适用性都有着重要影响。所以在水下机器人的研发过程中,设计人员需仔细研究并依据其水动力特性进行线型及水动力布局(操纵性)的设计。本文就是针对水下机器人水动力性能及运动进行了一系列相关探究。目前以计算流体力学为基础的数值仿真法以能较好地处理粘性绕流问题而当选为研究水动力性能的重要工具,这种方法不仅可以得出水动力系数,同时还能得到压力场、速度场和尾流场,设计者可以更加直观地发现水下机器人的外形、附体等对周围流场的影响。本文基于目前通用性较强的计算流体力学软件—FLUENT,对选定的水下机器人进行水动力仿真模拟,用Matlab曲线拟合求解出空间运动的一阶水动力系数,并进行了动力学仿真。对于水下机器人来说,只有具备良好的操纵性,才能既稳定又迅速地控制水下机器人的航向、航速,才有利于其成功规避各种障碍物以准确地执行各种机动运动。在水下机器人设计初期,为了预估其水动力特性及操纵性能,需要我们首先建立正确的空间运动方程式。本文考虑水下机器人的自身结构特点,并依据其所受外力建立了可操作性较强的六自由度动力学简化模型,然后对其水平面垂直面内的稳定性进行了详细计算分析,并对几种典型的运动状态进行了模拟,最终对AUV操纵性能的优劣进行了初步预报及综合评价。截至目前为止,水下机器人的多项研究进展令人欢欣鼓舞,但仍有许多关键技术还未突破。而制约其多项关键技术攻破的难题之一便是水动力学问题,急需国内大量从事水动力学研究的专家更多地致力于这一领域的研究,共同推动我国水下机器人技术水平跨越式向前迈进。

关键词： 并联机器人   运动学   工作空间   对偶四元数   各向同性   分散控制   解耦控制  

摘要： 并联机器人具有刚度大、惯量小、高速高精度的优势,其应用能涵盖工业、特种、服务等几乎所有机器人应用领域。相对其高性能发展要求,理论基础远未成熟。为此,本文开展了相关研究,涉及运动学和动力学的模型与算法、机构与结构的优化设计、主动振动控制算法,分为以下几个方面。研究了六自由度并联机器人的正向运动学问题。提出了这类问题迄今为止最高效的数值算法,讨论了其收敛性与奇异性问题,揭示了算法非奇异的条件。该算法适用于全驱动和冗余驱动的情形,相比传统牛顿迭代算法,提高了64倍的计算效率,能用于任务空间的闭环控制中。研究了六自由度并联机器人无奇异关节空间和工作空间的表示和计算问题。提出了首先确定最大无奇异关节空间,然后自动获得最大无奇异工作空间的策略。提出了在关节空间中检测奇异性的算法,能快速确定最大无奇异工作空间,为机器人工作的安全性提供了保障。研究了计算高效的六自由度并联机器人反向动力学求解方法。选择一个单位对偶四元数为系统的广义坐标,采用虚功率原理建立运动方程,生成计算高效的反向动力学解。对于6-UPS和6-PUS并联机器人,新方法相比传统方程分别减少了43.45%和38.45%的计算量。研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的运动学性能优化设计问题。提出了尺度均匀雅可比矩阵生成方法,解决了Stewart机构雅可比分析时转动和移动量纲不一致的问题。以局部运动学各向同性为性能指标,采用遗传算法获得最优构型。研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的动力学各向同性设计与分散主动控制。首次找到了平台工作在自由漂浮状态下,动力学完全各向同性的解析条件。揭示了动力学各向同性和运动学各向同性间的内在联系。针对动力学各向同性的隔振平台设计了分散控制器,闭环系统具有各向同性的性质,在所有方向上有一致的隔振性能。研究了柔性Stewart平台的建模和主动振动控制方法。利用伪刚体模型和虚功率原理,推导了具有足够精度和简洁性的显式线性化动力学方程。设计了基于关节空间力/位反馈的解耦控制算法,位置反馈抵消了柔性铰链的寄生弯曲和扭转刚度的作用,力反馈实现模态空间振动控制。控制器的比例增益和积分增益可以分别调节六个振动模态的转折频率和主动阻尼。论文研究工作为并联机器人的高端化和高性能内涵提升提供了理论基础的新发展,可以有力地指导高速高精度并联机器人的设计、运动分析与控制运行。论文的最后对下一步研究工作进行了展望。

关键词： 智能制造   机器人学   项目式教学   新工科  

摘要： 国家"智能制造2025"发展规划对《机器人学》课程体系和相关人才培养目标提出了新要求,提出以项目案例为导线的课程教学模式来适应新时代机器人应用方向的人才培养。单纯的理论知识讲解,枯燥晦涩,学生难以理解,降低学生的学习兴趣。但是,没有理论作为指导的实践,仅仅是没有思想的重复实现,同样无法达到技术创新的效果。采用项目式教学并融入数值实验的方式,不仅使抽象的概念清晰具体化,而且能够培养学生分析问题、解决问题的思路与方法,对高层次创新性人才和工程应用型人才的培养具有重要意义。

关键词： 机器人竞赛   课程实践   教学改革  

摘要： 科技突飞猛进的今天,人工智能的迭代为科技社会发展注入新动能,机器人已经开始融入人们的工作生活,机器人竞赛也受到越来越多的关注,各高校就机器人竞赛促进实践教学改革,有利于创新性人才培养。

摘要： 2018.8.15—19,Beijing中国电子学会联合相关单位组织举办"2018世界机器人大赛——BCI脑控机器人竞赛",从应用目的(助残康复)出发,比拼参赛选手操控BCI技术成果的能力。参赛选手主要通过定向邀请和社会报名的形式参与,同时鼓励残疾人体验并参赛,参赛的残疾人主要由相关医疗康复组织机构推荐邀请组成。竞赛项目:项目1:脑控打字项目2:运动想象项目3:脑控成果展示(脑控机械臂、脑控机器人、脑控游戏、脑控无人机、脑控外骨骼等)项目4:任务征集(征集"2019年世界机器人大赛—BCI脑控机器人竞赛"赛项)

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： 动力学模型   动力学参数辨识   改进模拟退火   优化遗传算法  

摘要： 为了满足机器人的工作速度和精度的要求,基于机器人动力学模型的控制方法被广泛采用,如何采用动力学参数辨识的方式优化机器人动力学模型是机器人动力学研究的热点问题。在动力学参数辨识算法方面,相比于最小二乘法、最大似然法、神经网络算法等,遗传算法在鲁棒性,适应性和并行性上有一定优势,在解决机器人这类非线性系统的参数辨识问题上有广阔前景,本文提出了改进模拟退火优化遗传算法对机器人动力学参数进行辨识。论文首先介绍了机器人动力学建模的几种重要方法,对动力学建模所需动力学特性参数中重要参数进行了介绍,其次对机器人动力学的几种影响因素进行了分析,根据机器人力传感器信号通过牛顿欧拉动力学递推方程辨识机器人动力学参数,并给出了辨识步骤。然后根据遗传算法和模拟退火算法进行改进、优化和融合,提出改进模拟退火优化遗传算法。改进模拟退火优化遗传算法采用浮点数编码和小区间生成初始种群;遗传操作采用分组选择,算数交叉与启发式交叉混合的自适应交叉以及自适应变异;在改进的遗传算法的遗传操作后,子代种群新个体产生机制融合了改进冷却进度表的模拟退火算法的Metropolis准则,提高了算法的效率和精度。最后通过PUMA560机器人进行仿真实验,选取各关节优化轨迹,通过改进模拟退火优化遗传算法对动力学参数进行辨识。与最小二乘法、常规遗传算法和本文提出的浮点数编码、小区间生成初始种群、改进遗传操作的单独改进遗传算法进行比较,仿真数据表明改进模拟退火优化遗传算法解决机器人参数辨识问题在优化时间、优化精度和辨识参数最大误差上相比与前三种算法具有很大优势,有更高的的优化效率和更好的优化结果。

关键词： 空间机器人   动力学   自动编制技术   无源性   分布式控制  

摘要： 空间机器人具备代替航天员进行在轨服务的潜力,因而受到越来越多的关注。为应对愈加复杂的航天任务,近年来,空间机器人的构型也愈加复杂,例如系统带有多臂机械臂、运动自由度数目较大。复杂的构型也令空间机器人的动力学建模及控制问题更加具有挑战性。为此,期望研究出空间机器人高效动力学建模分析方法及新型控制方法。本文以带有多部机械臂的空间机器人为研究对象,对其动力学建模及鲁棒控制问题研究。首先,研究空间机器人系统的动力学建模问题,基于凯恩方法建立空间机器人系统的动力学模型,并总结出带有任意部柔性机械臂的空间机器人一般动力学方程。为后续的动力学方程编写程序设计及先进控制器设计提供基础。其次,根据所建立的空间机器人一般动力学方程,总结其方程在形式上的规律,研制了多体系统显式动力学方程编制技术,并利用该技术建立空间机器人动力学模型,对其准确性进行验证。所研制程序根据所输入系统构型即可自动编写其动力学方程,极大的简化了空间机器人动力学推导过程,给空间机器人性能分析、设计控制器及工程实践带来了便利。再次,对空间机器人的动态跟踪问题展开了研究,分别基于无源性理论及分布式控制理论,设计了有限时间无源控制器及分布式终端滑模控制器。有限时间无源控制器通过运用无源性理论,设计系统的能量存储方程,从而保证被控系统的稳定性;分布式控制器在每个自由度处单独进行控制器设计,对系统动力学模型依赖性较低,灵活性更高。所设计的两种控制器均不依赖于系统的准确模型,并且能够保证系统跟踪误差与有限时间内收敛于零处,因此具有较强的鲁棒性。最后结合所设计系统动力学模型和鲁棒控制器,进行空间机器人运动仿真。仿真结果表明,在所设计控制器的控制下,空间机器人能够跟踪期望轨迹,并且相较于传统的PD控制器具有更好的跟踪性能与抗干扰性。

关键词： aged   geriatric nursing   robotics   social media nursing research   nursing research  

摘要： Background: People use social media to express perceptions, attitudes and a wide range of concerns regarding human life. Aim: This study aims at analysing the ongoing discussions on the internet microblog Twitter and offers some coming predicaments regarding developments in geriatric nursing regarding nursing robots. Methods: Data were retrospectively collected from Twitter. 1322 mentions were included in the final analyses, where principles of interpreting data by using netnography were utilized. Results: Many ideas are presented expressing functional, psychological and social aspects of robots in nursing care. Most postings come from metropolitan cities around the globe. The discussion focuses on market-driven, science fiction solutions for aged care. Twitter users overall seem to be positive using various nursing robots in aged care. These discussions offer a window into the attitudes and ideas of this group of users. Conclusion: We suggest that monitoring Twitter discussions on social media can provide valuable insights into current attitudes as well as forecast coming trends.

关键词： 长篇小说   人工智能   机器人学  

摘要： 由蔡自兴教授和翁环高级讲师合著的《探秘机器人王国》已由清华大学出版社隆重出版,向全国发行,正在网上和书店热销中。本书是我国第1部以机器人学、人工智能知识和机器人技术为中心内容的科普及科幻长篇小说。书中通过形象与连续的故事和插图,介绍机器人的发展历史、基本结构与分类,在工矿业与农林业、空间与海洋探索、国防与安保、医疗卫生、家庭服务、文化娱乐、教育教学等方面的应用,以及智能化工厂、未来宇宙开发与星际航行和发展方向等。此外,