关键词： 轨迹规划   运动学分析   刚柔耦合   动力学分析   控制设计   移栽试验  

摘要： 钵苗在不同密度穴盘中的移植是温室育苗产业中的一个关键的环节,移栽效率是限制规模化育苗的问题之一。现存在的温室移栽机刚度低、精度差、自动化程度低、不能柔性化栽植,无法满足现在的生产需求。基于目前的研究现状,研制出了一款新型的空间三自由度并联移栽机器人,以提高移栽效率与工作精度为主要目的。针对该三自由度并联移栽机器人本文进行了轨迹规划、运动学、动力学以及控制系统的研究。主要内容如下:（1）对课题组前期研制的移栽机器人进行结构优化和对幼苗的物理特性进行相关参数分析。对优化后的并联移栽机器人进行自由度、耦合度分析并借助ADAMS软件对动平台的加速度进行仿真对比分析,验证结构优化的合理性。苗物理特性研究包括苗的高度、叶展宽度、质量等,为移栽轨迹规划提供参数支持。（2）根据改进的并联机器人工作特点,对移栽轨迹进行规划并对运动学以及动力学仿真分析。借助数学分析软件MATLAB对运动控制函数进行分析,选取3-4-5次多项式函数作为动平台的运动规律控制函数。通过Creo三维建模软件建立虚拟样机模型,借助ADAMS仿真分析软件对虚拟样机进行仿真分析,包括平台的速度、加速度等相关运动学仿真分析,验证轨迹规划与动平台运动规律控制函数的正确性。（3）借助拉格朗日动力学建模方法建立机构的动力学模型,对机构进行刚柔耦合动力学分析。在ADAMS软件柔性化模块中将易变形杆件离散化,通过在动平台施加不同负载,分析因杆件弹性变形引起的动平台位移、速度、加速度的变化趋势。对比仿真分析圆弧过渡与直角过渡两种不同的移栽轨迹对驱动关节转矩、功率以及角速度的影响,为控制部分电机选型提供依据。基于带有运动控制的PLC对控制系统进行设计和硬件选型。然后按照按列移栽策略对单个移栽流程进行程序设计和穴盘孔坐标赋值。（4）基于前面的轨迹规划以及仿真分析,并联移栽机器人进行试验研究,结果表明,动平台负载在低于1000g时误差较小,最大加速度为30m/s时,移栽效率为1865株/小时,此时移栽成功率在95.3%左右。通过试验可知,系统的刚度是影响移栽成功率的关键因素。

关键词： 空间机器人   柔性帆板   鲁棒控制   容错控制   奇异摄动   目标捕获  

摘要： 随着航天技术的不断发展,空间机器人因其能够适应空间恶劣的环境、长时间在舱外工作、降低在轨服务成本、提高在轨服务效率以及完成宇航员难以胜任的高精度、高可靠度任务等优势,已经成为当前在轨服务技术发展和应用的热点之一,并逐渐应用于空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与空间实验等任务中。由于空间机器人系统动力学方程本身所呈现的复杂非线性和耦合性,加上一些大型挠性部件的使用（如帆板）,使得其在动力学以及捕获动力学问题上面临诸多的难题。此外,由于空间机器人系统结构复杂并工作在恶劣的空间环境下,导致动力学系统的参数难以确定并且有可能引起系统执行机构发生故障或失效,使得其在控制系统设计方面也面临着巨大的挑战。本学位论文在国家自然科学基金（11772187）和上海市自然科学基金（14ZR1421000）的资助下,开展了带柔性帆板的六自由度空间机器人动力学与控制问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:（1）对带柔性帆板的六自由度空间机器人的动力学建模问题进行了研究。基于单向递推方法和虚功率原理详细地推导了空间机器人的运动学方程、动力学方程,并且通过与商业软件ADAMS的仿真计算结果对比验证了本文所建立的模型的正确性。仿真结果表明,本文方法所建立的动力学模型能够取得与ADAMS一致的结果;帆板柔性对系统动力学特性有着重要的影响。（2）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统参数不确定性的轨迹跟踪控制问题进行了研究。基于计算力矩方法,设计了考虑系统参数不确定情况下实现轨迹跟踪的鲁棒自适应控制器,并且通过Lyapunov理论对控制器的稳定性进行了证明;最后通过数值仿真对所设计的控制器进行了验证。仿真结果表明,利用本文所设计的控制器,带不确定参数空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,并且保持本体的位形不变,同时能够有效地抑制柔性帆板的弹性振动。（3）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统作动器失效的轨迹跟踪控制问题进行了研究。针对系统关节失效的情况,利用滑模理论和Lyapunov稳定性理论设计了机器人实现轨迹跟踪的滑模容错自适应控制器,并对闭环系统的稳定性进行了分析;通过数值仿真对比验证了控制器的有效性。仿真结果显示:使用本文所设计的容错控制器,不管作动器是否发生失效,都可以取得很好的控制效果;然而,当作动器发生失效而不处理时,控制效果明显变差;在本文控制器的作用下,柔性帆板的弹性振动同时能够得到有效抑制。（4）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对机器人系统轨迹跟踪过程中的柔性帆板弹性振动的控制问题进行了研究。基于奇异摄动理论,将空间机器人系统动力学方程分解为刚体运动的慢变子系统和弹性振动的快变子系统;分别对两个子系统进行子控制器的设计,其中慢变子系统采用的是计算力矩控制器,快变子系统采用的最优控制,从而得到系统总的复合控制器;最后进行仿真对比验证复合控制器的有效性。仿真结果表明:在本文控制器的作用下,空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,本体的位形可以得到有效抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制;复合控制方案中的快变子系统控制器对空间机器人系统的控制效果具有很大影响。（5）对带柔性帆板的空间人的捕获动力学及控制问题进行了研究。首先,利用Hertz接触碰撞理论来描述空间机器人与捕获目标之间的相互作用,主要包括接触碰撞力的计算和渗透深度的实时检测;然后,将接触碰撞力集成到第二章的系统动力学方程中,从而建立起机器人与捕获目标的整个系统的动力学方程。最后,为了保证机器人能够顺利的完成捕获任务,基于计算力矩方法设计了主动控制器以顺利实施捕获。仿真结果显示,帆板的柔性对系统碰撞动力学特性有很大的影响;斜碰会改变系统的姿态;在本文控制器的作用下,空间机器人系统的本体的位移可以得到有效的抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制。

关键词： 机器人比赛   物品分拣   传感器   机器视觉   目标识别  

摘要： 自动分拣机器人整机的设计采取了模块化的设计方法,以自动分拣机器人的比赛规则作为设计要求,从整体到局部,先确定机器人总体设计方案,然后对其进行机械结构设计、硬件选择、硬件电路设计及软件系统设计。各模块均在开头做了深入的理论分析,并在最后进行了实验验证。在机械结构方面,对其外观,尺寸等方面做了细致分析并进行了合理的设计。介绍了各零部件的设计要求,并详细讲述了它们的结构以及在机器人中的作用。还详细介绍了零部件的装配方法,以及舵机、直流电机等硬件的安装方式。对机械结构中主要的受力构件做了力矩校核。在用于抓取工件的机械手上,通过各构件间组成的两个平面四连杆机构,使得手部可以保持与地面平行的状态,减少了舵机的使用。最后本文还对机械手的抓取运动轨迹采用了三次多项式规划,利用Matlab进行轨迹仿真,得到的仿真结果达到了期望的结果。在硬件系统方面,详细介绍了选用的硬件,设计了相关的硬件电路。其中循迹系统一块,由发光二极管和光敏电阻共同组成的光电传感器检测地面线路,配合运算放大器整合放大检测信号,使机器人循迹稳定,无误。循迹系统将检测到的外界信息反馈给控制芯片,控制芯片控制电机从而实现了机器人行走的速度控制。机器人定位停车上使用了红外光电开关定位,采取先减速后停车的方式,使机器人能准确地停在比赛指定位置。最后在视觉识别上,选用功能强大的Openmv视觉模块来识别要抓取的工件,并使用其控制芯片控制机械手的运行,充分发挥了Openmv的功能。最后在软件系统方面,机器人行走的控制芯片和Openmv视觉模块都是使用Python语言编程,为提高识别的精准度,提升工件分拣的速率,在视觉识别上除了颜色识别、形状识别和模板匹配三种目标识别算法配合使用外,还在视觉技术辅助机械手定位上做了研究,对角度测量算法和通过改进的水平距离测量算法进行了测试,验证了两种算法的可行性。通过以上的工作,本文设计并制作的一款自动分拣机器人,对外界信息获取能力强,行走速度快,识别并抓取运动目标快速且稳定,最终在创泽信息杯2017中国机器人大赛中荣获二等奖。

关键词： 猎豹机器人   疾驰步态   控制算法   节律   等效动力学模型  

摘要： 对以猎豹机器人疾驰为代表的四足机器人奔跑过程的分析与控制一直是困难的问题,因为系统控制自由度众多,加之节律和动力学规律的作用及相互影响,造成了时序和空间上的高度复杂度。本研究的目标在于通过建立被控制对象的等效动力学模型,形成有效的工程性方法。研究内容分为以下四个部分:首先,为了较全面地描述猎豹疾驰步态的时序特征,建立了一套以有限状态机和积分规则为基础的节律生成器。节律生成器以猎豹疾驰步态节律特征为基础,以相和相位描述各部位的运动过程和运动瞬间,以有限状态机表示猎豹各运动相之间的转换关系,以积分规则来模拟相位的渐变。各类节律状态变量自动变化,并受到运动感知输入的调节,从而与运动状态相协调。其次,为了分析躯干运动学状态的影响因素,建立了猎豹疾驰步态的腿部支撑状态等效动力学模型。等效动力学模型以双质点模型模拟猎豹惯量特性,以杆件的动作模拟足部相对于质心的运动规律。根据连杆动作对猎豹质心运动学性质的影响,建立足部轨迹运动规划的依据。为了实现运动的连贯性,需要重点控制机器人在驱动相期间的运动从而调节腾空期间的弹道式运动。然后,构建了仿生猎豹机器人的实时控制算法,建立了一套前馈控制为主、反馈控制为辅的控制方式。在腿部的摆动相,利用PID算法跟踪足部运动的基本轨迹;在腿部的支撑相,则直接采用前馈和反馈结合的方式生成速度进给。支撑相的进给的计算是规划重点:以期待的质心运动学特性结合足部的相对位置可以生成足部运动的进给特性,作为前馈控制的输入;根据期待运动状态与当前运动学状态的偏差对足部进给进行补偿计算,作为反馈控制的输入。最后,为了验证算法有效性,进行了猎豹疾驰步态的仿真和物理样机实验。针对提高步距的运动需求,设计了猎豹机器人的躯干构型。在Simulink和RecurDyn联合仿真环境中构建了控制算法和虚拟样机模型,并形成了虚拟猎豹的疾驰步态的稳定周期。针对实物实验,基于SQBot I改造设计了SQBot II机器人,使其更能适应高速的运动需求;改进了疾驰奔跑实验平台。SQBot II在平台上形成了稳定的疾驰步态运动规律。研究结果显示,该控制算法能在仿真和实物实验中形成较稳定的疾驰步态,并可容忍初始状态的姿态偏差,具有一定的健壮性。该算法中节律生成器和等效动力学模型的建模,对研究四足机器人奔跑具有较广的应用价值。

关键词： 刚柔耦合动力学建模   动力学参数辨识   力矩前馈控制   负载补偿控制   关节弹性振动抑  

摘要： 相对于常规轻载工业机器人而言,重载机器人为了实现高速、高精度、高负载等典型性能需求,对控制系统的性能提出了更高的要求。由于重载机器人运动惯量较大,传统的PID闭环控制输出力矩无法满足其在高速重载运动过程中关节期望输出力矩快速、实时变化的需求。同时,随着重载机器人负载自重比的不断增大,其柔性元件的特性更加明显,导致系统在启动、停止以及速度突变情况下产生弹性振动,影响其轨迹跟踪精度,甚至可能导致系统失稳。在此背景下,本文以江苏省科技成果转化专项资金项目“高速重载工业机器人核心技术研发及产业化(BA2015004)”为依托,开展了150KG重载机器人刚柔耦合动力学建模与补偿控制等关键技术研究。主要内容如下:为了获取精确的六自由度重载机器人动力学模型,本文首先采用迭代牛顿-欧拉法对其动力学模型进行了理论推导。在此基础上,以条件数为性能指标,设计了一种基于改进型有限项傅里叶级数形式的周期性激励轨迹优化生成方法,对理论模型中存在的未知动力学参数进行精确辨识,由此建立起准确的重载机器人动力学模型。此外,设计了一种负载惯性参数辨识方法,在机器人本体动力学模型的基础上进一步考虑了负载效应的影响,以建立重载机器人带载工况下的完整动力学模型。针对传统PID闭环控制用于重载机器人所存在的控制精度较低、动态性能较差等问题,本文研究并实现了一种基于动力学模型的力矩前馈控制方法,通过所辨识的动力学模型计算出机器人各关节期望输出力矩值,并与电流环中的控制输出进行叠加以实现力矩的实时补偿,从而可有效提高机器人的轨迹跟踪精度,改善动态性能。同时,为了解决末端负载给高速运动的重载机器人所带来的控制精度降低问题,提出了一种基于负载惯量匹配的力矩补偿控制方法,从而有效提高重载机器人带载工况下的控制精度。针对由于关节柔性而导致的重载机器人关节弹性振动问题,本文提出了一种结合状态观测器和奇异摄动理论的关节弹性振动抑制复合控制方法。首先在考虑关节柔性的情况下,建立重载机器人刚柔耦合动力学模型;在此基础上,设计了一种高增益状态观测器,无需借助外部传感器,根据电机侧角度、角速度和输出力矩,对机器人连杆侧角速度等状态变量进行了实时观测;然后采用奇异摄动法将复杂的高阶刚柔耦合动力学模型转化为降阶子系统,对所获得的快、慢子系统分别设计了速度差值反馈控制律和PID控制律,并结合李亚普洛夫稳定性理论给出了系统稳定性证明,以有效地抑制了机器人的关节弹性振动,进一步提高其轨迹跟踪精度。在上述研究的基础上,本文以与企业合作自主研发的150KG重载机器人为研究对象,对所研究的机器人本体动力学模型参数辨识、负载惯性参数辨识、力矩前馈控制、负载补偿控制和关节弹性振动抑制等内容进行了实验研究并取得了较好的实验效果,验证了本文所提出方法的可行性和有效性,表明了本文针对重载机器人的相关研究具有一定的工程应用价值。

关键词： 水下机器人   矢量推进装置   运动学   动力学   仿真分析  

摘要： 矢量推进技术在水下机器人领域属于一种新兴的水下推进技术,能够很好的提高机器人的机动能力,对于海洋资源开发具有重要的意义。本论文旨在克服传统多桨推进方式存在的结构复杂、不易控制等缺点,以开发具有空间姿态调整功能的矢量推进装置为目标,设计一套结构简单、容易控制的矢量推进装置方案,实现水下机器人单机构多姿态的运动模式,结合矢量法、分离体法等方法来进行矢量推进装置的动力学建模,借助SolidWorks、MATLAB、Adams、ABAQUS等软件对基于少自由度空间单闭链矢量推进装置进行研究分析。首先,简要介绍空间连杆机构、水下机器人矢量推进技术等研究现状等,提出一种矢量推进装置方案,通过矢量法求得位置方程,并通过对位置方程求一阶导数和二阶导数,分别得到速度和加速度方程;通过分离体法进行运动副中约束反力和力矩的求解。利用MATLAB编程绘制机构的运动规律和力学性能,最后通过与Adams联合仿真验证理论分析结果。其次,利用ABAQUS软件对矢量推进装置进行有限元分析,分析位移变形、应力等分布情况,以校核其强度、刚度是否满足要求;对支撑架和转动模组单元分别进行振动模态分析,防止引起机械共振,为分析机器人振动的方式提供了借鉴。最后,根据前面两章的理论分析内容,对全部偏转螺旋桨矢量推进装置的样机进行设计与加工;选择装置电机等元器件;构建了伺服控制系统,编写控制程序;矢量推进装置的成功装配和矢量推进测试实验,包括螺旋桨能否顺利实现俯仰实验、偏摆实验,以此来验证所设计构型的可靠性与实用性。本文的研究具有一定的实用价值和广阔的应用前景。

关键词： 重载搬运机器人   动力学分析   性能提升   位置控制系统   参数整定   系统仿真  

摘要： 在经济和产业转型升级过程中,随着技术成熟和制造成本的降低,工业机器人被广泛应用于实际生产中,大规模地解放了生产力,提升了企业的综合实力。在纺织行业,受工作环境和成本制约,以及人口老龄化速度加快,劳动力结构性短缺矛盾日趋严重,研发和应用更换搬运棉桶的机器人是当务之急。本文结合纺织车间实际情况,设计了重载搬运机器人和AGV协同作业的复合机器人,并对重载搬运机器人重点分析,进行了机器人结构概述、动力学分析与仿真、位置控制系统参数整定及工作性能实地测试。结合机器人技术参数和工作流程,确定了机器人总体设计,分析了其结构特点;基于拉格朗日方法推导了机器人动力学方程,指出了惯量项、加速度项和重力项等系数对控制系统的影响;总结了与机器人构件质量、几何长度相关综合物理量,从机械设计的角度分析了通过减小综合物理量的方式提升动力学性能,并提出了结合其他平衡方式来改善系统动平衡。为实现机器人稳定运行与精度提高,依据集中参数法推导了传动系统动力学方程;基于PID控制思想建立了关键轴伺服系统方程,分析了机器人独立关节位置控制系统模型;运用MATLAB软件进行系统仿真,利用阶跃响应曲线与试凑法对整定及优化系统参数;基于整定后的参数,研究了系统阶跃响应和位置控制跟踪误差特征规律。为验证机器人结构设计的合理性和电机选择的正确性,采用ADAMS对机器人关键部件的运行动态特性与末端位移特征曲线进行仿真,分析了关键部件运行过程中误差波动及行成原因;通过模拟机器人典型工况下的作业受力情况,考察分析了关键部件的峰值力矩特征规律;依据机器人关节位置控制系统模型,建立了联合仿真平台,并对机械结构及控制系统性能进行了测试。为进一步验证机器人设计的合理性和可靠性,搭建复合机器人实验样机;结合理论分析和在线调整技术进行伺服系统调参,参照工业机器人安全实施规范和调试说明对控制系统进行了联调,实地测试了机器人稳定运行状态;依据测试标准测试了机器人的位置距离重复性,其结果与行业标准基本吻合,并提出了影响机器人精度的主要因素。本文在参考国内外文献和前人研究的基础上,重点研究了自主研发的重载搬运复合机器人,分析重载搬运机器人结构特征;通过机器人动力学分析,提出了机器人动力学性能提升途径;通过阶跃响应曲线和试凑法,对位置控制系统参数进行了整定优化;通过对机器人动力学与控制系统仿真,验证机器人结构设计的合理性和电机选型的正确性;通过系统调试与性能测试,表明机器人设计功能与运行技术达到了行业标准,具有一定工程实践指导意义。

关键词： 机器人技术  

ISBN: (纸本)9787115487834

摘要： 本书集合了机器人和自动化领域的众多前沿专家、企业CEO和投资者们对该领域的看法、思考和展望。每一篇文章都聚焦机器人和自动化在不同行业和领域的发展，如服务业、交通运输业、建筑业、能源业、金融界等等，专注这些不同领域的机器人专家们畅谈机器人和自动化技术在未来所面临种种，机遇、风险、挑战、投资、观念转变、趋势转向等。