关键词： 特钢棒材   机器人修磨   高效预测   轨迹规划   修磨接触力   动力学行为   分数阶控制  

摘要： 随着国民经济的持续快速发展,人们对成品钢材的质量和精度也提出了更高的要求。众所周知,特钢棒材在轧制后的精整区域内存在转存运送频繁、工作环境恶劣、重复劳动繁重、安全风险较高等问题,长期以来对工人生命安全会有很大的威胁和隐患。修磨工序作为精整过程中的重要一环,不少还停留在人工经验传统修磨阶段,存在修磨精度低、适应能力差等问题,亟待需要将人们从繁重、重复、单调、恶劣的环境中解脱出来,实现修磨加工工序的机器人化作业。基于此,为了有效、快速地实现棒材在轧制后的精整修磨,满足社会发展进程中高安全性、强可靠性、耐疲劳寿命、较高经济性的产品需求,本文重点对特钢棒材表面缺陷修磨工序做了深入研究,实现该工序从传统人工作业向机器人化作业的转变。具体研究内容如下:（1）为了实现特钢棒材精整过程中的修磨工序机器人化,搭建一种面向特钢棒材精整修磨的机器人作业系统。对作业系统做整体布局规划,介绍作业系统的工作过程。针对所选用修磨机器人,利用D-H法建立修磨机器人运动学模型,并对修磨机器人正、逆运动学方程进行求解。在此基础上,考虑棒材修磨时砂轮磨损导致的直径变化不确定性,提出一种基于多层前向传播的深度神经网络方法,运用深度神经网络建立机器人运动学的预测模型,通过该模型补偿修正由于砂轮磨损导致的曲线廓线误差,完成修磨机器人快速高效地在线修磨。（2）为了实现在棒材修磨时机器人有连续且平滑的运动轨迹,有效保证修磨的稳定性和平顺性,对棒材修磨时机器人的运动轨迹做出规划及优化。通过对轧制现场大量缺陷棒材进行统计分类,给出棒材表面缺陷存在的多种位置、样貌分布情况。为便于支撑后续研究,运用实验室现有激光超声检测平台对试样棒材进行缺陷检测,确定试样棒材表面缺陷位置、深度等参数信息。在此基础上,根据棒材表面缺陷分布情况对修磨轨迹进行分类规划,选取棒材修磨完成所消耗时间最短作为目标函数,提出一种改进型粒子群优化修磨机器人运动轨迹规划算法。（3）为了直观反映棒材修磨时的工作状态,对砂轮与棒材之间的接触力进行分析,并对接触时产生的动力学问题进行探讨。基于Hertz滚动接触摩擦理论,建立棒材修磨接触模型,得到接触区域应力分布情况及边界曲线。运用ABAQUS软件对棒材修磨过程进行模拟仿真及实验验证,分析不同参数对修磨接触力的影响。根据模拟仿真与实验验证结果,求解出棒材修磨的接触力公式。在此基础上,基于Lagrange法建立修磨机器人动力学方程,针对修磨时砂轮与棒材接触产生的动力学问题,引入非线性分数阶微积分理论,分析讨论砂轮与棒材接触时产生的振动现象。（4）为了保证棒材修磨任务的完成实现机器人的鲁棒稳定性控制,对机器人的动力学性能进行分析。针对机器人末端所存在的接触力叠加问题,运用重力补偿技术解决棒材修磨过程中的接触力感知问题。针对机器人运动时所表现出的阻抗特性,建立阻抗控制系统模型,并对系统参数性能及稳态误差进行分析。根据机器人修磨所具有的复杂非线性特征,通过引入分数阶控制理论,提出一种修磨机器人分数阶力/位混合控制策略。基于机器人动力学模型,运用ADAMS软件对机器人三维模型进行动力学仿真分析,得到机器人加载时的关节扭矩曲线。在此基础上,提出一种基于分数阶PID的机器人自适应阻抗控制策略,对修磨机器人的动态控制性能进行分析。

关键词： 协作机器人   动力学参数辨识   扰动观测器   导纳控制  

摘要： 协作机器人是机器人领域的研究热点之一。本文以典型的6自由度协作机器人UR5为研究对象,主要围绕以下几个方面展开研究:机器人动力学建模和参数辨识、基于机器人动力学模型的扰动观测器设计,以及无六维力/力矩传感器的笛卡尔空间导纳控制。具体研究内容如下:首先,本文推导了UR5机器人的动力学模型,并通过实验辨识出了其动力学参数。辨识方法采用了迭代最小二乘法,并通过线性矩阵不等式约束确保了辨识参数的物理可行性。此外,通过对采集到的数据进行加权处理,降低了异常数据对辨识结果的影响。在摩擦模型方面,本文使用了Stribeck摩擦模型代替库伦粘滞摩擦模型,并利用反向传播神经网络构建了关节摩擦的神经网络模型,以提高关节摩擦的辨识精度。为了进行参数辨识,本文设计了五项有限傅里叶级数激励轨迹,并采集了机器人的关节位置、关节速度和关节力矩数据。实验结果表明,所采用的辨识方法能够提高动力学模型的精度。接下来,本文以辨识出的动力学模型为基础设计了三种扰动观测器,用于导纳控制实验的外力估计。详细推导了基于低通滤波器、基于广义动量和基于卡尔曼滤波的扰动观测器的数学原理和离散化实现。在仿真软件Coppelia Sim中,不考虑摩擦力的情况下,以恒力估计和变力估计为示例研究扰动观测器的参数选择对扰动观测器外力估计性能的影响,为实验中每种扰动观测器的参数调节提供指导。在实际实验中考虑关节摩擦力的作用,以变力估计为示例对比三种扰动观测器的外力估计性能,使用平均计算时间、力矩均方根误差和参数调节难易程度作为评价指标,其结果表明使用前向欧拉法离散化的基于卡尔曼滤波的扰动观测器综合性能最佳,为后续笛卡尔空间导纳控制实验奠定基础。最后,本文实现了无六维力/力矩传感器的笛卡尔空间导纳控制。推导了笛卡尔空间导纳控制的设计原理和离散化实现,通过雅可比矩阵将扰动观测器转换为虚拟六维力/力矩传感器,提出了基于虚拟六维力/力矩传感器的笛卡尔空间导纳控制的实验方案。实验中对比了SRI六维力/力矩传感器和所设计的虚拟六维力/力矩传感器,验证了虚拟六维力/力矩传感器精度满足笛卡尔空间导纳控制的要求,并将其用于UR5机器人的笛卡尔空间位置导纳控制和姿态导纳控制,证明了所设计方案的有效性。

关键词： 机器人  

ISBN: (纸本)9787502494261

摘要： 本书基于ROBOTAC机器人竞赛近8年的举办经验, 将有关组织工作进行规范化、标准化、流程化梳理, 列出了各部分工作具体目标、要求, 辅以丰富的执行表格、操作文档、思维导图等, 优化了竞赛组织的流程和人员配置, 使过程可考、可量化, 具有很强的指导性和操作性。本书通过实际操作案例, 对全国大学生机器人大赛的组织、裁判及相关技术保障工作进行详细阐述。

关键词： 软体机器人   能量法   运动静力学   接触分析   动力学  

摘要： 软体机器人由低弹性模量的超弹性材料制成,依靠材料和结构的变形完成任务。软体机器人有无穷多自由度,表现出非常好的灵活性、安全性和可靠性。由于超弹性材料引入的材料非线性、机器人大变形造成的几何非线性以及运行过程中随机接触导致的边界非线性使得软体机器人的仿真非常困难,机器人设计很大程度上还依赖于不断的实验试错,高效准确的仿真方法可以极大提升研究人员的效率。构成软体机器人的材料通常可以用超弹性材料模型描述,其本构关系以能量密度函数的形式给出,直接从能量入手进行建模可省去繁琐的力学平衡关系的构建,大大简化了建模过程。本文围绕软体机器人的能量法建模进行了如下研究工作: (1)提出了软体机器人的直接能量建模方法。由于软材料的本构关系都是用能量密度函数表达的,本文跳过繁琐的力学分析,在有限元插值的基础上将软体机器人的非线性力学问题转化为能量极小值问题,通过优化求解机器人的非线性变形。本文所建模型中,应变能是直接通过应变能密度函数求得,为了区别于通过应力应变积分计算应变能的方法,本文称所提方法为直接能量法。为提升优化求解效率,本文从材料的能量密度函数本构关系出发构造了总势能Hessian矩阵的常值近似表达,将常值近似表达与L-BFGS算法结合,构造了简洁高效的能量极小值优化求解算法。分别用所提方法和有限元法对六个机器人实例进行建模仿真,通过结果对比证明了所提方法的准确性和高效性。通过对绳驱动柔性臂屈曲变形的分析展示了所提出方法在处理后屈曲变形的优越性。 (2)在直接能量建模框架下提出了严格无穿透的软体机器人接触分析方法。以严格几何约束的形式将接触问题添加到能量法建模框架中,构建了求解软体机器人接触仿真的约束最优化问题;基于内点障碍函数法求解约束最优化问题,保证了迭代过程始终处于可行域内,消除了仿真过程中跨越可行域边界时可能出现的奇异性问题。实例仿真表明所提出的接触仿真方法具有非常高的准确性和稳定性,尤其在有限元无法收敛的复杂变形问题中表现出色。 (3)进一步拓展直接能量建模框架用于软体机器人的动力学仿真。基于达朗贝尔原理将动力学项表示为惯性力,推导了惯性力做功的表达式,从而将软体机器人的动力学仿真也转化为能量极小化问题。利用所提出的方法对七个软体机器人的动态加载过程进行仿真,并将结果与有限元方法进行对比以证明该模型的精度,并且所提模型充分发挥了能量法仿真框架的优势,在商业有限元软件(如ABAQUS)无法仿真的复杂变形中表现稳定。 (4)在线性四面体单元基础上,推导了二阶四面体离散模型表面网格的近似表示方法。通过添加虚拟节点和边线将离散模型的表面表示为线性三角形网格,在此基础上给出了使用二阶四面体单元离散化时气动驱动器和接触问题的建模方法,丰富了能量框架下单元类型,提高了计算精度。 (5)综合上述理论成果开发了软体机器人仿真软件,包括模块化的求解器、基于VTK的后处理模块等。利用所开发的软件对七个软体机器人进行仿真,在同等精度条件下,所开发的软件比商业有限元软件效率提升两到三倍;对于商业有限元软件无法解决的带有复杂变形和接触的软体机器人案例,所开发软件仍可以得到准确的预测结果,展现出很高的稳定性和鲁棒性。

关键词： 仿河狸水下机器人   水动力学建模   刚液融合   稳定性分析  

摘要： 随着海洋资源的不断开发利用以及军事上的各种需要,适应于各种水下环境的机器人在海洋资源勘探与军事侦察方面受到了极大重视。水下仿生机器人通过模拟生物的运动模式完成水下的高效运动,实现复杂的水下探测与勘探任务。在生物学上,河狸具有强壮的后肢与有力的尾部,后腿具有宽大的脚蹼。在水下运动时,脚蹼起到主要的推进作用,尾部主要起到稳定躯干的作用,其次起到辅助的推进作用。依靠带蹼后肢与尾部,河狸能够在水下环境中具有极佳的游动能力。目前,仿河狸水下机器人的研究较为有限,对于仿河狸水下机器人的动力学与稳定性研究更是少之又少。仿河狸水下机器人的动力学研究是实现良好运动控制的基础。为探究由两腿部连杆与可弯曲脚蹼构成的后腿的水动力,本课题提出了一种结合机器人刚体动力学与水动力学的刚液融合动力学模型。该建模方法基于牛顿欧拉公式,对河狸机器人后腿的腿部运动学进行外推,并且基于水动力学建立脚蹼上的水动力学模型,结合牛顿欧拉内推公式,计算出髋关节的受力,并通过仿真和实验验证。该建模方法融合了刚体动力学与水动力学,对于具有多关节蹼式推进的机器人的动力学建模具有较好的参考价值。仿河狸水下机器人的尾部仅有一个关节,尾部扁平且宽大,常用的水动力学理论无法推算出其作用力。本课题提出了一种结合水动力学与挠度形变理论的仿河狸水下机器人尾部分段动力学建模方法,能够有效分析其尾部在摆动过程中的动力学特性,并通过仿真与实验对比分析出模型的正确性。结合推进效率与运动稳定性提出了一种用以衡量仿河狸水下机器人尾部运动性能的指标,对其运动性能进行定量评价。最后,基于仿河狸水下机器人后腿与尾部的水动力仿真结果与实验采集数据以及外壳水动力仿真结果,通过Adams仿真软件分析计算获得机器人的整体姿态角变化,结合变重心与变浮心模型(由于随着后腿与尾部的运动,仿河狸水下机器人的重心与浮心会随之改变),由此计算获得恢复力矩与干扰力矩,得到稳定性指标。通过对不同步态下的实验数据与仿真数据计算获得的指标进行对比分析,为仿河狸水下机器人的水下运动控制与运动优化奠定基础。

关键词： 多关节机器人   动力学参数   阻抗控制   状态观测器  

摘要： 随着机器人技术的不断发展，多关节机器人在工业生产、医疗、服务业等领域得到广泛应用，为经济发展提供高效驱动力。多关节机器人因具有高灵活性、高效率与适应恶劣环境等优点，可实现各种复杂任务，如抛光打磨、装配以及一些物理人机交互等。其实现各类复杂任务的前提是具有精准的动力学模型与合适的控制策略。然而，多关节机器人模型是典型的多变量耦合非线性系统，难以精确建模，如何辨识其动力学模型是亟需解决的问题。此外，多关节机器人的辨识动力学模型偏差会对跟踪控制精度造成影响，导致控制任务失败。为此，本文针对多关节机器人动力学参数辨识以及抗扰阻抗控制展开研究，主要工作如下：　　1、针对辨识过程中动力学参数驱动问题，采用五次傅里叶级数作为激励信号，利用Hadamard不等式构造激励轨迹优化的目标函数，同时以关节空间约束作为激励轨迹优化的限制条件，求解激励轨迹参数，控制机器人跟踪激励轨迹以激发待辨识参数性能。最后，通过仿真验证激励轨迹的有效性。　　2、针对动力学参数辨识问题，采用Stribeck模型辨识各关节摩擦参数，补偿各关节摩擦力，根据力矩偏差信息构造惯性参数优化问题，提出了基于白鲨算法的动力学参数辨识方法。进而利用高斯过程回归学习偏差与关节信息的关联模型，补偿辨识模型预测偏差，提高了对关节力矩的预测精度。最后，在测试集上验证了辨识参数与偏差补偿策略的可靠性。　　3、针对辨识模型偏差影响系统性能的问题，将机械臂模型偏差、外部干扰建模为系统总扰动并扩张为系统新状态，提出了基于线性扩张状态观测器的阻抗控制策略，采用前馈方式实现对系统总扰动的估计与补偿，进而提高控制精度。最后，通过仿真与实验验证观测器对系统状态的估计能力以及所提出的控制策略的有效性。

关键词： 水下蛇形机器人   动力学建模   ADRC控制方法   动力学逆解算   MATLAB仿真  

摘要： 水下蛇形机器人作为一种柔性机器人,能在复杂、狭小的环境中灵活运动,有很强的环境适应能力,具有多关节、超冗余自由度,机动优势明显。对水下蛇形机器人建模、运动控制进行研究,提高其水下运动性能和作业安全性,对于水下蛇形机器人的应用具有重要意义。但该系统的异形结构也导致其控制难度较传统刚性水下机器人更大。因此,为了实现水下蛇形机器人在狭窄水域空间、水下管道等环境更灵活地运动,本文主要围绕新型水下蛇形机器人建模和运动控制两方面展开深入研究。本文的主要创新、具体研究内容及成果如下:(1)本文提出并设计一种基于二维平面的三连杆水下蛇形机器人建模方法,该机器人由两个转动关节连接的三个连杆模块串联组成,通过分析研究三连杆机器人在水中受力情况,考虑并计算水的附加质量力、粘性阻力和水阻力矩,采用动量定理和动量矩定理建立了水下蛇形机器人运动学和动力学模型,通过调整尾部和头部水流进行机器人速度控制,通过调整连杆间夹角和头部侧向水流进行机器人偏航角控制。随后,在通过仿真实验验证模型正确性和可行性的基础上,分别采用PID和ADRC方法对其水平速度和偏航角进行控制,实验结果表明ADRC策略具备更好的快速性、稳定性和抗干扰性等控制性能。(2)水下蛇形机器人主要通过电机调整其多个连杆间的姿态,结合头部的侧向水流对系统整体的偏航角进行控制,即系统控制量为连杆间的夹角,被控量为三连杆中部的偏航角,头尾部分的偏航角可根据连杆间的夹角进行推导。而针对水下蛇形机器人,其连杆间夹角的可行区域多受狭小地形限制,单纯采用控制器进行计算经常出现控制量难以实现、系统反应慢等问题。针对该问题,本文设计了一种基于动力学逆解算的双环控制方法,外环为采用运动学逆解算,结合地形约束推导可实现控制目标的最佳连杆间夹角角度,嵌套内环自抗扰控制器,通过调整连杆间夹角的速度,对连杆间夹角进行控制,最大限度地模拟水下蛇形机器人的真实运动状态。实验结果表明,该控制器相较于无动力学解算的传统双环控制器在反应速度、控制效果上都存在较大改进,并验证了该方法在狭小地形下的可行性。

关键词： 喷漆机器人   弹簧机构   动力学分析   振动控制  

摘要： 在现代制造业中,喷漆机器人占据着重要的地位,其应用也越来越广泛。本文以RPA856RP型喷漆机器人为参考样机,基于有限元理论,对机器人关键部件进行静力学和模态分析,获取其变形量与固有频率;基于动力学仿真技术,对其进行动力学建模及仿真分析,验证了弹簧辅助平衡机构的有效性;建立机器人振动分析等效模型,研究弹簧机构参数对系统末端振动响应的影响规律,为同类型机器人系统的振动控制提供参考。本文主要研究内容如下:(1)根据喷漆机器人结构的设计原则和技术参数,以参考样机为基础,利用UG三维建模软件对喷漆机器人进行建模装配,根据模型对弹簧辅助平衡机构进行重新计算设计;进行喷漆机器人运动学分析,采用标准D-H参数法建立运动学模型,并进行运动学正、逆解的求解;基于Matlab软件建立运动学仿真模型,并对比验证运动学模型建立的准确性,最后通过仿真得出了喷漆机器人工作空间云图,为模型的准确性提供了额外的验证。(2)对机器人关键部件进行静力学和模态分析。基于Ansys/Workbench平台,分析喷漆机器人关键部件等效模型在极限位姿情况下的应力和位移云图及其分布,以此为依据校核关键部件的强度和刚度是否满足要求;此外,还进行关键部件的模态分析,获得部件低阶固有频率和振型,为避免共振的产生和提高机器人薄弱位置的动静态性能提供参考,同样也为机器人获得安全可靠的结构和良好的动态性能提供了参考依据。(3)利用Adams软件建立喷漆机器人动力学仿真模型。首先通过选取喷漆机器人典型的喷涂轨迹,对不同喷涂速度下的大臂和小臂关节负载力矩情况进行分析,通过对比可得机器人在最大运行速度2m/s下关节负载较大;在此喷涂速度下对机器人在安装弹簧平衡机构前后关节的负载进行动力学分析,并选取驱动失效瞬间这一特殊情况下,分析弹簧平衡机构对缓解关节驱动受到冲击的效果。两种情况下的动力学仿真共同验证了弹簧辅助平衡机构对机器人良好的动力学性能有着积极的作用;建立机器人振动分析等效模型,将机器人转化为二连杆—弹簧模型,通过动力学建模理论分析确定影响系统动力学性能的主要参数,通过Matlab/Simulink平台建立二连杆动力学仿真模型,分析弹簧机构各主要参数对二连杆末端振动响应的影响规律,最后设计了一种粒子群优化算法对弹簧机构各参数进行优化,为同类型的机器人振动系统研究提供参考。