关键词： Humanoid robots   Gakutensoku   uncanny valley   Nishimura Makoto   Mori Masahiro   Ishiguro Hiroshi  

摘要： From the beginning of the twentieth century, Japanese roboticists have observed specific features in the physical designs of humanoid robots that cause users to react with either fear or affection. Analyzing the sources of these reactions, robotics egineers eliminated from robots those features that might trigger negative associations, and instead embedded their designs with cues to norms, theories, and cultural references valued by their society. By analyzing Nishimura Makoto's building of an affable artificial human named Gakutensoku, Mori Masahiro's discovery of the phenomenon of the uncanny valley', and Ishiguro Hiroshi's current employment of cognitive, social, and psychological sciences to overcome the uncanny' impression of his robots, this essay claims that the development of the field of humanoid robotics in Japan was driven by concern with human emotion and cognition, and shaped by Japanese roboticists' own associations with the social and intellectual environments of their time.

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： 机器人学  

ISBN: (纸本)9787300257372

摘要： 本书讲述如何提高创造力的方法，基于德博诺先生多年的研究，这是一种以结果为导向的思维方法，教人们摆脱本书旨在拓宽我们对机器人和人工智能的理解，也是一本写给“机器人”的书。如何选择才能使机器人不是人类的奴隶，也不是潜在的霸主，而成为人类的伙伴？我们需要在这个人与机器人共处的世界里建立规则，维护彼此的尊严。作者认为：今天科学家、工程师所做的决定，将会影响人类的生命、死亡、健康，工作和生活，阶级地位、个人隐私、性别身份，以及战争的未来，城市景观的形态，以及许多其他领域。垂直思考的固有模式，培养自己的水平思考能力。水平思考一词已经成为一个固定概念，被收纳入英文词典，水平思考课程在国外及中国的许多大企业、政府机构所采用，成为他们培训员工的思维方式和创造力被采用最多的课程之一。

关键词： 气动力估算模型   动力学模型   仿鸟腿式步行机构   能效性分析  

摘要： 经过大自然长时间筛选与进化,鸟类获得了优秀的飞行能力。小型扑翼飞行机器人继承了这种能力,其飞行模式多种多样并可自由切换,飞行机动性极强且气动效率高,具有传统飞行平台不具备的多种优点。因此小型仿生扑翼飞行机器人的研究工作具有极其重要的意义。本文首先简单综述了国内外扑翼飞行机器人的研究发展现状,重点从机械工程学科角度出发,阐述并分析了扑翼飞行机器人设计中涉及到的技术重点与难点。在此基础上对小型扑翼飞行机器人的未来技术发展方向进行了思考,做出展望。作为完整的仿生机器人,期望实现飞行与步行两种运动模式,于是研究了仿鸟腿式步行机构,提出了一种轨迹生成机构与位移放大机构组合的仿鸟腿式步行机构并进行了机构尺寸综合。利用优化设计的方法求解了与给定理想轨迹匹配程度最高的机构设计参数。通过ADAMS动力学仿真,证明了该机构可有效地在平缓地面上快速行走。其后分析了扑翼结构与其产生气动力的机理。根据二维稳态流体力学仿真得到的多种翼型升/阻力系数数据,运用条带理论求解了局部稳态气动力,然后积分局部气动力求解出了机扑翼整体气动力。建立了扑翼运动与气动力产生的实时关系。为后续扑动机构动力学分析、飞行器稳定性控制做好了准备。之后针对一种扑动机构,在构建扑动机构的运动学、动力学模型的基础上,分析了关节刚度与力矩波动程度的关系,进一步分析了力矩波动、电动机平均驱动功率、有效功率与总功率比值三者关系,证明了弹性元件可有效提高机构的能效性。最后根据鸟类结构与仿生统计规律制作了实验样机的零部件,完成了实验样机的组装与初步测试。评价了 3D打印工艺在样机制作中的效果。

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： 自动投料机器人   旋量理论   动力学模型   递推最小二乘法   参数辨识  

摘要： 机器人是集机械、电子、液压、控制、计算机信息、传感技术、仿生及人工智能等多个学科相互渗透、相互交叉的综合性学科。工业机器人技术研究日新月异,与人类生活密不可分,在机器人研究过程中,提出了更多的理论方法和仿真工具,使机器人的动态性能和数据精度都得到了很大改善。但是,由于在实际应用中存在各式各样的影响因素,导致了机器人研究更加的复杂性和困难性。对此,迫切需要建立一种新的机器人运动学和动力学模型,以方便提高机器人的可操作性和动态特性,从而提高机器人的精度和性能。本文以一种自动投料工业机器人在酿酒生产实践中为研究对象,阐述了一种以旋量理论为核心的全新机器人动力学参数辨识方法。首先,利用李群李代数和旋量理论对刚体空间运动旋量进行了详细的描述,引出运动旋量、刚体变换、指数积公式等概念,建立了基于旋量指数积形式的六自由度自动投料工业机器人运动学的模型和机器人几何参数标定。其次,基于旋量理论与凯恩方程,提出一种自动投料工业机器人的动力学建模方法;从旋量理论建立的指数积公式和螺旋运动两个方面分别阐述了自动投料工业机器人雅可比矩阵方程的建立过程,然后介绍了基于凯恩方程的动力学建模方法,在此基础上对各关节相应的主动力旋量、惯性力旋量、偏速度旋量、广义主动力及广义惯性力等参数做出了释义,并基于达朗伯原理完成凯恩动力学方程的推导,对影响动力学的因素也做了详细介绍。最后,基于参数矩阵递推方程建立了辨识方程,概述了以递推最小二乘法为核心的辨识算法,并对矩阵的满秩情况进行了详细说明,得到了辨识模型;该方法在很大程度上简化了辨识模型,降低了辨识难度,具有很好的针对性,从而获得准确的动力学惯性参数,优化了机器人动力学模型和改善了机器人动态特性,提高了机器人的辨识精度和动态性能。

关键词： 机器人动力学模型   非线性系统辨识   核自适应滤波   相关熵   核自适应滤波  

摘要： 本文主要针对串联杆机械臂的动力学建模问题,通过分析其动力学模型中存在的复杂非线性与不确定问题,指出神经网络因拥有良好的非线性全局逼近能力,可以用来进行模型辨识。现有的神经网络辨识研究虽多,但由于真实系统中的噪声问题,很多方法都只在特定的仿真环境下效果较好,缺乏实际系统的应用。在详细分析了神经网络辨识及径向基神经网络后,提出可根据核自适应滤波自动构建径向基神经网络及处理数据中存在的噪声等特点,使用其对逆动力学模型进行辨识。本文的主要内容为:1.指出由于机器人动力学系统存在高度非线性和不确定性等原因,现有的机理建模方法无法满足高精度高负载等应用场景,可使用具有全局非线性逼近能力的径向基神经网络进行辨识。但神经网络存在依赖训练样本的,对存在噪声的数据无法获得较好的收敛甚至可能会发散,本文提出使用可自动构造径向基神经网络的核自适应滤波进行辨识。2.在广泛应用于非线性系统问题的核最小二乘算法基础之上,为解决真实环境中的数据存在非高斯噪声的问题,提出一个基于多次幂相关熵的核自适应滤波算法。并分析和验证了其性能。3.根据机器人逆动力学模型的特点,设计了基于本文提出的均多次幂相关熵核自适应滤波的辨识方法,其中包括整体的辨识算法结构,参数更新方式,及提升泛化能力的样本选取方式。4.通过仿真和真实机器人平台的实验,验证了该算法的有效性。

关键词： 焊接机器人   刚柔耦合   动力学   动态特性   精度测量  

摘要： 随着现代化矿井采煤装备往大型化、自动化方面发展,焊接机器人成为煤矿机械装备制造“无人工厂”的新“工人”,与此同时对煤矿焊接机器人提出了高效率、高精度、适应性快、匹配度高和寿命长的产品性能要求。液压支架作为典型的综采装备,主要是由焊接成形的复杂箱型结构件组成,其特点是内部焊缝密集,以短距离、立体式交叉焊缝为主,多为三维直线和少量的弧线。传统手工焊接因为频繁的引弧、收弧,尤其遇到难以到达的狭小空间时,很容易造成虚焊和漏焊。为了保证焊接机器人在复杂工况下拥有更高精度,减小静态和动态误差,对其进行动力学和动态特性的分析研究是十分必要的。焊接机器人通常是多自由度、强非线性和刚柔耦合的多体系统。其结构的动力学性能是保证高质量完成复杂箱体结构焊接功能的关键,焊接机器人动力学研究同时还关系到正逆运动学,动态特性,结构强度和多体柔性动力学及控制方面的问题,成为众多国内外学者研究的热点。本文以SR165通用焊接机器人为研究对象,以分析影响焊接机器人焊接精度的因素为目的,通过阅读相关文献并总结近几年工业机器人、焊接机器人方面的研究现状,借助现有计算机虚拟仿真、数学建模和数值仿真等相关的技术,开展运动特性和动力特性方面的研究,对提高焊接机器人产品性能具有理论和工程意义。主要研究工作如下:基于运动学理论,建立位姿误差模型,根据实况分析了焊接机器人运动误差的来源。采用D-H参数法建立SR165机械臂的正逆运动学数学模型,并在此基础上建立机器人位姿误差模型。基于SR165焊接机器人六自由度串联关节式和腕部Pieper结构,选择代数解法进行逆运动学数学模型求解并获得雅克比矩阵。借助MATLAB工具箱对正逆运动学进行还原,控制面板的虚拟仿真验证了正逆运动学数学描述的正确性,并结合液压支架焊接机器人的焊接任务特点规划焊接路径,模拟40s从空间B点（1.985,-0.780,0.733）到C点（1.985,0.769,0.733）(单位/m)的直线焊接过程,获得机械臂的运动特性曲线,描述了直线焊缝仿真过程中各个关节角度位移、角速度和角加速度,以及各个关节力矩的变化情况。基于运动学模型,运用“小位移摄动法”建立结构参数位姿误差模型。在位姿静态误差研究的基础上,对大臂进行静力学分析,分析SR165机械臂在极限平衡位置时,获得大臂的变形误差。大臂是承载并传承力的关键部件,立式六自由度串联结构的缺点是变形误差会传递给末端焊枪从而影响焊接精度。以水平放置为极限位置,对SR165机械臂进行静力学平衡分析,获得临界边界条件。根据大臂真实的工况,添加约束情况分为预紧力作用和理想固定边界两种。首先添加预紧力约束,获得大臂最大变形位移0.217mm,大臂b端A点最大变形位移值为0.1686mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移0.5536,大臂最大等效应力出现在大臂侧面和b端圆孔处,为11.06MPa;理想固定约束下,大臂最大变形位移0.4612mm,b端A点最大变形位移值为0.3817mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移1.2535mm,大臂最大等效应力41.114MPa出现在大臂a端圆孔处。由此可知极限位置状态下,当有预紧力时,SR165机械臂的静态误差在误差允许范围内。大臂材料球墨铸铁的屈服强度为365MPa,对应的许用应力为121MPa。大臂最大等效应力为41.114MPa,完全可以满足静态结构强度。根据不同启动惯性力对大臂进行静态特性分析,可以确定大臂的静态强度是足够的。对比分析大臂在预应力作用下的固有频率,可知预应力对大臂刚度矩阵的影响很小,通过大臂的有限元模态分析,为之后连杆柔性刚柔耦合系统的动力特性研究提供了条件。除了静态误差之外,动力特性对动态误差的影响不容忽视。结合结构动力学和多体柔性动力学理论,主要从关节和连杆的柔性角度分别对SR165机械臂建立两个刚柔耦合系统进行动力学分析。关节柔性-连杆刚性刚柔耦合系统的研究从柔性关节等效弹簧替换开始,推导了空间三连杆柔性关节系统的动力学方程。采用Euler-Bernoulli梁为等效模型进行柔性梁动力学研究。根据弹性理论和连续介质理论对柔性梁的刚性大范围运动的小变形进行物理描述。对旋转梁采用假设模态法离散横向变形和纵向变形,计入横向变形导致纵向变形压缩的非线性耦合项。采用混合坐标法和第二类拉格朗日公式推导动力学方程。在平面旋转柔性梁系统动力学研究的基础上,推导出中心刚体-柔性梁系统的动力学方程,并深入考虑到末端质量的转动惯量,以及它对系统动力学模型的贡献,进一步推导了中心刚体-柔性梁-末端质量系统的动力学方程。方程包含了三种形式,旋转柔性梁系统的结构动力学模型（无大位移）;系统的一次刚柔耦合动力学模型（大位移运动）;以及系统的近似一次刚柔耦合动力学模型（大位移运动）。焊接机器人结构理论上的描述和动力数学模型的建立,为虚拟仿真

关键词： 重载搬运   复合机器人   ADAMS软件   动态仿真  

摘要： 针对重载搬运复合机器人的结构特征,利用Solidworks软件建立机器人三维模型。采用ADAMS软件进行动力学仿真,获得机器人关键部件的运行动态特性与末端Z轴方向位移特征曲线。对机器人关键部件运行过程中误差波动及形成原因进行了分析,验证了模型设计的合理性;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,验证了驱动电机功率参数选择的合理性。

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。