关键词： 双足机器人   线性倒立摆   强化学习  

摘要： 人形机器人的研究一直是机器人的领域的一大热点之一，而对于人形机器人来说，其双足步行行走是进行一切活动的基础，故对于双足行走的研究也一直延续至今，近些年来，采用强化学习的方式进行双足行运动的研究也逐渐成为了热点，本文采用基于参考轨迹的强化学习方法对于双足机器人的行走进行研究。　　本文的实验对象分为两个，一个是进行平面行走的四自由度双足机器人，另一个是进行三维空间行走的十自由度双足机器人。首先对于两个机器人的结构以及控制系统进行了详细的设计;其次，进行以髋部坐标系为基坐标系的正运动学及逆运动学分析，并计算了机器人的实时质心位置以及机器人的质心相对于足端的雅可比矩阵;随后，说明了基于质心期望力的二维线性倒立摆理论，分别对单足支撑阶段以及双足支撑阶段的支撑脚与摆动脚进行规划，再将二维的情况推展到三维;之后，将线性倒立摆的行走数据当作参考在虚拟环境中对机器人进行强化学习训练，其中包括神经网络的结构的设计，强化学习算法超参数的设置，奖励函数、训练终止条件的设置以及将仿真迁移到现实机器人中需要进行的动态随机化策略;最后，为了验证方法的可行性，分别在仿真以及现实中实验，其中仿真实验分为四自由度以及十自由度机器人的行走实验以及抗干扰行走实验，实物实验也分为四自由度机器人以及十自由度机器人的行走实验，成功地证明了基于参考轨迹的强化学习方法可以使得机器人在仿真与现实中进行稳定的动态行走。

关键词： 工业机器人   带传动柔性关节   动力学特性   振动特性   实验样机  

摘要： 工业机器人具有柔性化程度高的显著特点,被广泛运用在磨削、钻削、焊接、喷涂等工业领域。由于机器人是典型的刚柔耦合多体系统,其开链式结构和关节柔性决定了其本体的低刚度特性,使其在高速、动态载荷冲击下易产生弹性振动,而带传动柔性关节作为工业机器人的关键传动部件,对工业机器人的动态特性具有重要影响。本文主要开展工业机器人带传动柔性关节的动力学特性及控制策略研究。首先,研究了工业机器人带传动柔性关节的刚度特性。通过工业机器人带传动柔性关节模态分析,分析不同张紧力下带传动柔性关节的模态特性,得出张紧力对工业机器人带传动柔性关节模态特性的影响,在此基础上,建立了带传动柔性关节的刚度模型,进一步分析带传动柔性关节的刚度特性。其次,研究了工业机器人带传动柔性关节的转速特性。针对永磁同步电机驱动的带传动柔性关节,建立了柔性关节伺服驱动矢量控制模型并进行仿真分析,在此基础上,建立工业机器人带传动柔性关节的动力学模型,分析了带传动柔性关节的输出转速特性,搭建带传动柔性关节Simulink-Recurdyn联合仿真模型,分析工业机器人带传动柔性关节在不同刚度和负载突变下的转速特性。随后,设计了工业机器人带传动柔性关节转速控制策略。针对工业机器人带传动柔性关节在不同刚度和负载突变下的转速特性,设计带传动柔性关节转速模糊PI控制策略,开展带传动柔性关节转速控制研究,建立Simulink-Recurdyn带传动柔性关节模糊PI控制联合仿真模型,通过恒定负载和变负载工况下不同刚度柔性关节输出转速特性,验证设计的模糊PI控制效果。最后,研究了工业机器人带传动柔性关节振动特性及实验样机。建立工业机器人带传动柔性关节虚拟样机模型,对带传动柔性关节的振动特性进行仿真分析,在此基础上,设计研制工业机器人带传动柔性关节实验样机,搭建了带传动柔性关节振动测试系统,开展了带传动柔性关节传动带振动测试实验,为开展工业机器人带传动柔性关节振动控制奠定基础。

关键词： 康复机器人   模糊PID控制   阻抗控制   人机交互  

摘要： 随着我国老龄化逐年加剧,以及由脑卒中等疾病导致的肢体偏瘫、全瘫的患者数量庞大,并且有着年轻化的趋势,对智能康复设备的需求将会越来越多。本文针对脑卒中等运动障碍患者,解决其在早期卧床阶段存在康复难、训练少以及减轻康复医师劳动强度等问题,设计了一款卧式康复训练机器人。通过临床康复需求分析,创新性地将屈髋屈膝、卧式步态和桥式运动等康复训练集成为一体,能够为患者提供多样的、多方位的康复训练方案。由于不同患者或同一患者在不同阶段的康复情况多样性,在控制方案上提出了被动训练模式与主动训练模式。本文的主要研究内容及方法如下:1.通过分析临床上常用的康复动作、运动原理和康复需求,开展了卧式康复机器人的结构设计。针对不同患者身高体型情况,设计了多种调节机构。通过对比各种驱动和传动方式的优劣以及实际设计需求,对机器人的驱动方式和传动方式进行选型。为获取患者训练情况以及用于主动控制方法的实现,对人机交互力采集模块进行设计。2.系统的动力学模型建立。为求取机器人各关节之间的运动关系,采用闭环矢量法对机器人系统的运动学进行建模,采用Lagrange法建立机器人的动力学模型。通过***虚拟样机软件进行仿真分析,验证所建立的动力学模型和运动学模型的正确性,为后期的控制研究提供理论基础。3.针对被动训练模式的控制,采用模糊PID控制算法实现对轨迹的稳定跟踪,通过Simulink与***联合仿真的方式,证明所提算法的可行性和稳定性;对于主动训练模式的控制,建立机器人与患者之间的人机交互阻抗模型,采用阻抗控制算法和模糊PID控制算法相结合的方式,通过联合仿真对控制算法进行仿真分析,验证所设计算法的可行性与稳定性。4.搭建卧式康复机器人实验样机和对电气系统进行设计,通过假人实验对三种康复动作进行功能性实验测试,验证了康复机器人机构的可行性和可靠性。针对康复机器人的主动训练模式和被动训练模式,开展主被动控制实验测试,实验结果表明所设计的控制算法的可行性和稳定性。

关键词： 爬树机器人   刚毛阵列   机器人学   仿生学  

摘要： 爬树机器人作为特种机器人的重要分支,在农业、服务业扮演着重要的角色,对木材生产与树木检测工作产生着积极作用。树木的树皮极为粗糙且分布规律复杂导致现有的爬树机器人有着设计结构复杂、难以维护等问题。在观察壁虎的攀爬过程以及参考了众多爬树机器人的结构后对爬树机器人进行了重新设计。同时受壁虎手掌的柔性刚毛阵列结构以及昆虫足端倒刺启发后对机器人抓附机构进行了优化改进。论文首先使用多个学者的抓附模型建立了尖刺与树皮表面的接触模型,对壁虎手掌的柔性刚毛结构进行了观察研究,发掘了其柔性来源与手掌刚毛与表面接触抓取的规律。对机器人的抓附机构进行了优化改进,改进后使抓附机构具有柔性的同时可以调节初始预紧力。可以在不同环境形成稳定的抓附,最后可以达到优化电机输出节省能源增加续航的目的。本着结构简单维护方便的原则,重新设计了机器人整体结构并且增加了旋转梁部件,在攀爬过程中旋转梁带动机器人的四个臂使其可以在不同直径的树木上调整攀爬。分别对机器人的关键部件如尖刺进行了可靠性计算,失效模式的提前分析并使用abaqus静力学仿真验证,结果表明尖刺合理可靠。对柔性抓附机构的机架进行了检验。然后使用D-H坐标法对四足机器人整体分析计算出了正、逆运动学方程。机器人运动学方程计算完成后使用蒙特卡洛法计算了机器人的单个腿的工作空间,结合方程规划了机器人的足端攀爬轨迹,通过动态仿真的形式验证了四足机器人在树木上前进、后退等功能,输出了相关运动特性图像,结果表明该设计高效可行。对硬件控制系统整体提出了设计要求,对舵机和控制处理器进行了相关的选型以及规划了其他对机器人的特殊要求,最后使用快速成型制造技术制造了机器人在不同直径的树木进行了攀爬实验,结果符合理论设计要求。

关键词： 机器人   模块化关节   动力学建模   转矩控制   位置控制  

摘要： 机器人系统在工业生产及智能制造领域不断得到应用，显著提高了制造业的自动化水平与生产效率。模块化关节是协作、航天、服务等机器人的核心部件。采用模块化关节可灵活搭建机械臂，降低维护成本。但模块化关节结构复杂，控制难度大，限制了关节本身及相关机械臂性能的提高。本文以模块化关节为研究对象，旨在解决模块化关节在建模、转矩控制、位置控制和工程应用中的实际问题。通过分析、建模、实验，建立了模块化关节的精细动力学模型，以及有效的控制策略和便捷的开发路线。本文在综述了国内外研究现状的基础上，主要开展了如下研究。　　为了分析关节动力学特征和满足运动控制算法需求，首先要研究模块化关节动力学精细建模方法。根据模块化关节结构组成与功能特点，分析了因关节多惯量体和摩擦而引发的控制问题。采用空间算子代数法，建立了更加精细的关节多惯量传动模型。关节中的摩擦具有独特的复杂性，本文以Stribeck与人工神经网络相结合的方法实现关节内摩擦的精细建模。以 Stribeck 曲线作为关节摩擦主要部分，通过传感器数据训练ANN 实现非模型摩擦残差观测。设计优化激励轨迹，以最小二乘法进行关节参数辨识，通过辨识模型，能够实现关节转矩的高精度估计，验证了模型的有效性。　　在关节动力学建模的基础上，开展关节转矩控制方法研究。分别在关节电机转矩控制和关节终端转矩控制两个层面，应用有限控制集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control，FCS-MPC）。在电机转矩控制中，提出了一种改进的逐桥臂FCS-MPC，可以减少 20%以上的计算时间，降低电机输出转矩波动;在关节输出端转矩控制中引入关节动力学模型和电机参考转矩，构成关节转矩全状态变量 FCS-MPC，可以在控制关节输出转矩的基础上，通过对电机参考转矩的调节，降低关节转矩调节振荡，实现对转矩的稳定跟踪。　　考虑关节位置控制具有重复性参考轨迹的特点，开展关节位置控制方法研究。选择迭代学习算法（Iterative Learning Control，ILC）作为关节位置控制方案，提出一种带可变遗忘因子的模糊增益改进迭代学习算法。分析关节动力学方程一般形式，建立模块化关节物理量与算法变量之间的联系。为了削弱迭代学习算法的过度修正问题，以变增益闭环PD型迭代学习算法为基础改进迭代学习算法。为了解决学习增益的工程试错，引入模糊增益;为了克服非周期性系统扰动，引入变遗忘因子，减小算法对上一次学习结果的依赖。对比实验表明，本算法可以实现关节位置的稳定跟踪和误差快速收敛。　　针对关节控制器算法开发调试问题，开发了模块化关节快速原型控制器（ MJ Rapid Controler Protype，MJ-RCP）系统，并以此平台为基础搭建2-DOF机器人系统，开展综合实验。采用RTOS+PCIE实时数据采集卡，搭配功放模块构成控制器;采用基于模型开发方法，搭配自动代码部署调试软件，实现关节算法的快速开发、测试。利用MJ-RCP的计算资源可以实现复杂算法的实时计算，支持本文实验。在单关节中开展阻抗力控实验，在双关节机器人中开展力-位混合控制实验。在综合实验中再一次验证了本文方法的有效性。　　本文所做探索性研究工作，对提高机器人模块化关节的后续开发工作，丰富理论研究内容，促进工程应用等具有一定适用价值。

关键词： 机器人工程   项目驱动   创新实践   教学方法  

摘要： 随着我国机器人产业的快速发展，国内各大高校陆续开设了机器人工程相关课程及专业。机器人工程作为自动化类新工科专业，具有综合性、实践性、应用性强和多学科交叉融合等特点，学生的创新实践能力培养成为教学环节中关键。基于传统自动化类工科专业教学模式存在的问题，提出了项目驱动式实践教学的新模式，以学生为中心，围绕项目传授基础知识，探索理论教学+实践教学的新形式，促进学生个性化发展，为高校关于机器人工程课程教学模式提供新思路。

关键词： 多关节水下机器人   结构设计   动力学建模   仿真研究   样机试验  

摘要： 近年来,随着经济发展、海洋技术与装备水平突飞猛进,人们在深海探测领域研究愈发深入,单个AUV的作业能力已不足以满足需求。为解决单个AUV可搭载的载荷数量有限、探测范围较窄等问题,将AUV编队后进行集群应用是现今主流的作业方式。但该方案一方面仍未解决单个AUV携带能源有限,作业时间短等问题,且在AUV集群应用时,单体间使用声纳、光学等设备进行信息交互进一步加大了设备载荷的整体耗能水平;另一方面目前阶段的AUV的集群控制策略、集群控制算法仍需完善,距离稳定可用还需进一步探索。针对上述AUV作业能力不强的问题,本文创新性地提出了一种多关节水下机器人(以下简称多关节AUV),该多关节AUV由若干3英寸AUV经连接关节串联而成,搭载的载荷类型与数量可根据实际需要自行选择且不会影响AUV的操纵性,根据任务需求还可作为自航与基于底座的水下机械臂使用,具有通过性好、灵活性强、作业时间长和作业能力强等特点。本文的工作内容如下:首先提出了多关节AUV的总体结构设计方案,并依次对3英寸AUV、连接关节(被动式连接关节和主动式连接关节)和射流推进器(射流推进舱段)进行了结构设计。接着对3英寸AUV的壳体进行了强度和稳定性仿真校核;对3英寸AUV的天线外形进行了CFD阻力计算;对3英寸AUV的天线折叠机构进行了运动学与动力学仿真;对射流推进器进行了不同转速下的推力仿真计算。其次建立了3英寸AUV的运动学与动力学模型,并在3英寸AUV动力学模型基础上建立了多关节AUV的动力学模型。并依据所建立的运动学与动力学模型,对3英寸AUV进行了各项运动仿真;根据实际应用场景,建立了多关节AUV的六自由度模型,并在此模型基础上进行了多关节AUV的轨迹规划与工作空间计算。最后进行了3英寸AUV与被动式连接关节的原理样机研制,并使用该样机进行了相关试验。测试了3英寸AUV的定深、定向航行性能,测试了被动式连接关节的灵活性与可靠性,为多关节AUV的研制奠定了重要基础。

关键词： HDPE膜   并联机器人   旋量键合图   多能域动力学模型   刚柔耦合  

摘要： 目前,高密度聚乙烯膜(HDPE)被大量应用于垃圾填埋场、水库等防渗工程中,是主要防渗漏结构层的核心构成。但由于所处环境长期腐蚀性、高负荷等持续影响,HDPE膜极易出现破损,若不能及时修补,将会给周边环境及地下水带来极大威胁。为解决上述问题,本课题提出一种新型并联焊接机器人系统,其将并联机构和热熔焊技术有机结合起来。以此机器人系统为研究对象,从运动学、动力学建模、振动响应以及样机实验等角度进行研究,主要研究内容如下:设计HDPE膜焊接机器人系统方案并对其并联机构本体进行运动学分析。针对于运营中垃圾填埋场结构层构成,设计一种适用于上述环境的HDPE膜并联焊接机器人系统方案;建立方案中并联机构本体的运动学正反解模型,推导出后续动力学模型所需运动学参数;基于运动学逆解确定并联机构工作空间大小。构建并联焊接机器人机、电、热多能域耦合动力学模型。首先,利用键合图建立驱动电机和热风焊枪的键合图模型;其次,利用旋量键合图建立并联机构本体动力学模型,得到机电热多能域系统全解动力学模型;最后,给定焊缝执行轨迹,通过MATLAB状态方程求解、ADAMS动力学仿真及20-sim键合图仿真对多能域耦合动力学模型进行验证分析。考虑轻质杆件弹性变形,建立并联机构本体刚柔耦合动力学模型。针对柔性杆分布参数系统,基于假设模态法,定义模态矢量键合图,同时结合旋量键合图,构建柔性杆单元模块化键合图模型,得到刚柔耦合全局动力学模型,推导刚柔耦合状态方程;通过ADAMS对建立的刚柔耦合模型进行模态分析和强迫振动分析,获得其幅频特性、相频特性,验证刚柔耦合键合图模型仿真精度,并为后续开展振动分析提供理论参考依据。刚柔耦合并联机构系统振动仿真分析。首先,基于20-sim键合图仿真模型对电机控制系统参数整定,在频域里分别讨论控制子系统和机械子系统的耦合振动相互作用影响;其次,通过20-sim软件分析控制子系统和机械子系统耦合振动,选取合适控制器参数;最后,搭建实验平台进行运动轨迹跟踪控制实验研究。