关键词： 水下机器人   ROV   总体设计   水动力性能   全耦合  

摘要： 缆控水下机器人(ROV)作为应用最广泛的潜航器,是近年学术界研究热点之一,它在船舶与海洋工程、水下工程、水生物学、海洋地理学、水下考古学等多个领域发挥着重要作用。本文开展了一种可在水下进行多自由度灵活运动、实时观测作业的新型ROV方案和本体结构设计。基于CFD数值计算方法初步研究了其水动力性能,通过滑移网格方法验证了ROV本体与多推进器全耦合状态下运动与动力学数值仿真预报可行性;根据设计方案完成了ROV样机制作和系统调试;开展了室内水池和室外开阔水域中ROV功能验证和航行试验。基于模块化设计思想确定ROV系统方案,完成了ROV水下本体各功能模块的材料选择、结构设计和关键设备选型;基于有限元方法校核不同工况下耐压舱体和框架结构强度,根据浮心和重心准则校核了其静稳性能。最终基于三维CAD方法完成了样机的虚拟装配。建立了ROV系统动力学模型。基于CFD数值计算方法对ROV水下本体和脐带缆在不同航速下的六自由度水动力性能进行计算研究,并总结了不同作业水深和航速下脐带缆对ROV本体的动力学影响。通过滑移网格传递多计算域流场数据方法对ROV本体直航、翻转等自由度运动过程中本体与多桨全耦合运动和动力学问题进行了初步仿真计算,验证了这一更接近实际状况的多推进器ROV运动数值预报方法的可行性。根据ROV系统与水下本体结构设计方案绘制零部件加工图纸,确定最优制作工艺,通过机械加工等手段完成零部件的生产制造和装配;完成ROV系统各功能模块、整体工程样机组装和陆上调试。最后开展了室内水池试航与功能验证试验、室外开阔水域航行试验。结果表明其航行、观测和作业功能满足设计要求。本文研制的中小型ROV系统功能全面、运动灵活、作业稳定性高且量产成本低,可以弥补国内水下机器人行业的不足,改变依赖国外产品的现状,对推动我国船舶与海洋工程行业的发展,海洋地理学、水生物学等相关学科的进步具有重要意义。

关键词： 走钢丝机器人   动力学模型   运动控制器   运动仿真  

摘要： 走钢丝运动充分体现了人类在自身平衡控制方面的能力。为了阐明人类在走钢丝时的运动规律,开拓新的研究平台,科学家们尝试着在机械结构和控制方法上实现机器人在钢丝绳上的稳定行走。首先,本论文通过对已有的走钢丝机器人动力学模型进行控制算法的研究,设计了四款控制器。分别利用中心流形定理来镇定走钢丝机器人系统的零动态,设计了基于指数趋近律的滑模控制器;利用霍尔维茨稳定性,设计了基于等速趋近律的滑模控制器;通过对走钢丝机器人系统状态因子逐个考虑、逐级控制,设计了串级滑模控制器;通过建立走钢丝机器人的T-S模糊模型,设计了基于并行分布补偿方法(PDC)的模糊控制器。针对四种控制器分别进行了 MATLAB/Simulink仿真,仿真结果验证了控制器的有效性。其次,本论文为走钢丝机器人设计了新的平衡机构,从控制方式和机构体积方面优化了原有的控制结构。我们根据新的机械结构利用拉格朗日方程建立了新的动力学模型,并为新的动力学模型设计了基于T-S模糊的模糊控制器,同时进行了 MATLAB/Simulink仿真。最后,本论文完成了机械加工和器件选型,搭建了新的实物样机,为实物样机试验奠定了基础。走钢丝机器人是一类典型的非线性、强耦合、欠驱动时变系统,其动态稳定静态不稳定特性具有非常高的研究价值。该类机器人的研究和发展为控制科学领域和机器人学领域带来了新的挑战和机遇,具有十分重要的意义。本论文通过对已有的成果进行深入研究,进而提出新的结构及控制方法,丰富了走钢丝机器人领域的内涵。

关键词： Situated human-robot interaction   natural language grounding   spatial reasoning   environment modelling   semantic mapping  

摘要： Truly universal helper robots capable of coping with unknown, unstructured environments must be capable of spatial reasoning, i.e. establishing geometric relations between objects and locations, expressing those in terms understandable by humans. It is therefore desirable that spatial and semantic environment representations are tightly interlinked. 3D robotic mapping and the generation of consistent metric representations of space are highly useful for navigation and exploration, but they do not capture symbol-level information about the environment. This is, however, essential for reasoning, and enables interaction via natural language, which is arguably the most common and natural communication channel used and understood by humans. This article presents a review of research in three major fields relevant for this discussion of spatial reasoning and interaction. Firstly, dialogue systems are an integral part of modern approaches to situated human-robot interaction. Secondly, interactive robots must be equipped with environment representations and reasoning methods that are suitable for both navigation and task fulfillment, as well as for interaction with human partners. Thirdly, at the interface between these domains are systems that ground language in systemic environment representation and which allow the integration of information from natural language descriptions into robotic maps. For each of these areas, important approaches are outlined and relations between the fields are highlighted, and challenging applications as well as open problems are discussed.

关键词： 机器人学   智能服务机器人   联合研究   国际科技合作   科学技术合作   “十三五”规划   中国科学院沈阳自动化研究所   可再生能源   再生能源   应用中心   ABB  

摘要： 近日,由中国科学院沈阳自动化研究所申报的"先进机器人学与机构学国际联合研究中心"被批准为国家国际科技合作基地(国家级国际联合研究中心类)。中心的成立有利于提升我国在智能服务机器人领域的理论研究及工程应用水平,促进我国机器人学科技人才引进和国际化培养,为开展中英在机器人前沿技术领域

关键词： 空间机器人   捕获航天器   动力学演化   变拓扑构型   镇定控制  

摘要： 空间机器人在轨服务过程中,对航天器的捕获、抓取操作能力是其必不可少的一项关键技术。为了保证空间机器人系统在外太空运行的可靠性,对其捕获航天器过程的碰撞分析、动力学演化,及其后混合体系统的控制设计都是非常必要的。文中分别研究了单臂空间机器人、全柔性臂空间机器人、双臂空间机器人捕获航天器过程动力学演化,及其后对应的关节运动镇定、柔性振动抑制以及闭链混合体系统的姿态管理及辅助对接操作过程。结合拉格朗日方程、描述柔性变形的假设模态法及多刚体动力学理论,分别建立了空间机器人及目标航天器的动力学方程。基于动量守恒定律、力的传递规律、以及相应的运动、几何约束条件,经过积分与简化处理,分析求解了空间机器人捕获航天器后受到的碰撞效应,并获得了空间机器人与目标航天器组成的混合体系统动力学方程。针对单臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统,考虑了复杂工况下的控制系统设计。空间机器人输出力矩受限时,设计了基于非线性滤波器的饱和控制方案,限制力矩输出。考虑到星载计算机的计算能力有限,基于神经网络控制理论设计了分块滑模自适应控制方案,以完成控制系统的模块化设计,减小了算法的运算量。当系统同时存在外部扰动以及参数摄动时,设计了双幂次滑模神经网络控制方案,利用快速双幂次滑模趋近律保证了系统的收敛速度,并运用神经网络逼近系统的参数不确定项及外部扰动。为实现全柔性臂空间机器人捕获航天器后形成的混合体系统关节运动镇定、柔性振动抑制一体化控制,利用奇异摄动方法将系统进行双时标分解,并设计了模型误差补偿滑模神经网络控制方案和极限学习机控制方案;借助虚拟力思想,获得了描述柔性振动及刚性运动的混合轨迹,以此为基础,提出了基于梯度下降法的自校正控制方案以及基于扩张状态观测器的鲁棒控制方案。上述控制方案都获得了关节、姿态运动镇定及柔性振动抑制效果。空间机器人双臂捕获航天器过程的动力学及控制问题包括:捕获前后构型的开、闭环变拓扑,动量、动量矩与能量传递变化,非完整动力学约束,以及存在闭环几何、运动学约束。根据不同的工况的控制要求,对捕获操作后形成的闭链混合体系统设计了自适应模糊H∞鲁棒控制,自适应PID饱和控制,递归模糊神经网络控制以及基于Hamilton-Jacobi-Bellma方程的神经网络最优控制。同时,为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后通过数值方法分析碰撞冲击效应,利用仿真实验模拟了闭链系统的运动过程,同时验证了上述控制方案的有效性。

关键词： Principles of Robotics   artificial intelligence   human-robot interaction   human rights and technology   technology and regulation  

摘要： The thought-provoking EPSRC Principles of Robotics stem largely from the reflection on the extent to which robots can affect our lives. These comments highlight the fact that, while the principles may address to a good extent the present technological challenges, they appear to be less immediately suited for future technological and conceptual dares. The first part of the paper is dedicated to the search of the definition of what a robot is. Such a definition should offer the basic conceptual platform on which a normative endeavour, aiming to regulate robots in society, should be based. Concluding that the Principles offer no clear yet flexible insight into such a (meta-) definition, which would allow one to take into account the parameters of informed technological imagination and of envisaged social transformation, the second half of the paper highlights a number of regulatory points of tension. Such tensions, it is argued, stem largely from the absence of an appropriate conceptual platform, influencing negatively the extent to which the principles can be effective in guiding social, ethical, legal and scientific conduct.

关键词： ROBOTS   LANGUAGE & languages   LEXICAL access   ROBOTICS   REASONING (Logic)  

摘要： "Special issue on spatial reasoning and interaction for real-world robotics."Advanced Robotics, 31(5), p. 221

关键词： Evolutionary robotics   embodied evolution   modular robots   artificial life   online gait learning   reinforcement learning  

摘要： Evolutionary robotics using real hardware is currently restricted to evolving robot controllers, but the technology for evolvable morphologies is advancing quickly. Rapid prototyping (3D printing) and automated assembly are the main enablers of robotic systems where robot offspring can be produced based on a blueprint that specifies the morphologies and the controllers of the parents. This article addresses the problem of gait learning in newborn robots whose morphology is unknown in advance. We investigate a reinforcement learning method and conduct simulation experiments using robot morphologies with different size and complexity. We establish that reinforcement learning does the job well and that it outperforms two alternative algorithms. The experiments also give insights into the online dynamics of gait learning and into the influence of the size, shape, and morphological complexity of the modular robots. These insights can potentially be used to predict the viability of modular robotic organisms before they are constructed.

关键词： 柔索   并联机器人   悬链线   索力   五索工况  

摘要： 随着工业技术的发展,传统并联机器人已经不能满足生产需要,因此,科学家提出了用柔索代替杆的并联机器人,即柔索驱动并联机器人,柔索驱动并联机器人具有重量轻、工作空间大、柔性好等优点,因此得到了广泛应用。本文研究围绕着“FAST工程空间六索驱动馈源舱位姿控制系统模型开发”项目,以柔索驱动并联机器人为背景,以500米口径球面射电望远镜(FAST)为研究对象,结合MATLAB、ADAMS等软件,求解柔索索力,分析柔索自身重力对柔索形状的影响,建立柔索驱动并联机器人的动力学模型,并进行了五索工况下的仿真分析。旨在将六索驱动并联机器人模型进一步精确化,本文主要进行了以下几个方面的研究工作:(1)总结柔索驱动并联机器人的发展历程以及国内外研究现状,阐述FAST的主要结构、悬索理论、馈源舱的静力学平衡方程,为后期索力求解、仿真分析奠定理论基础。(2)研究和分析了柔索的直线模型和悬链线模型,基于ANSYS的LINK180单元建立柔索的有限元模型,并对柔索进行了静力学分析,得到柔索自身重力对不同类型柔索变形的影响程度。(3)基于柔索的悬链线理论、馈源舱的静平衡方程,编写了索力求解程序,并利用MATLAB软件对索力初始值、最终值,以及不同位姿下的锚固点坐标进行求解。(4)深入研究柔索悬链线数学模型的建立方法,利用六索驱动并联机器人索力求解程序求解出索力的水平分力,并将其代入柔索的悬链线方程中,从而得到所求位姿下各个柔索的悬链线模型,为后续六索驱动并联机器人的建模奠定基础。(5)将柔索的悬链线模型和直线模型做对比,得到在所求位姿下柔索自身重力对其变形的影响程度,确定对于本文研究的六索驱动并联机器人,柔索的悬链线模型比直线模型更精确。(6)利用ADAMS软件中的柔索Bushing建模方法,建立了柔索的参数化模型,并以此为基础建立不同位姿下的六索驱动并联机器人模型,通过将仿真分析结果与MATLAB中的计算结果做对比,验证模型建立的准确性。(7)总结了六索驱动并联机器人的几种典型位姿,分别建立三种典型位姿下的动力学模型,并针对动力学模型分别进行了五索工况的仿真分析,仿真结果表明位姿WP1下的五索工况不具有危险性,而位姿WP1和WP2下的五索工况索力不满足技术要求,存在安全隐患。

关键词： 机器人   运动学   动力学   轨迹规划   BP神经网络   动态规划   三次B样条插值   仿真与实验  

摘要： 随着机器人技术的迅猛发展和市场的迫切需求,我国已将机器人行业列为“中国制造2025”的重点研究领域。本文以产学研合作为基础,以Dobot机器人为例,进行功能扩展,二次开发,研发了一台教学型四自由度桌面机器人,旨在让学生更加深刻地认知和了解机器人。在研发过程中,本文着重对桌面机器人运动学、动力学和轨迹规划的算法进行了研究。为了避免解被丢失的可能性和保证角的精度。本文根据桌面机器人的位姿结构特点,运用D-H法建立了该机器人各关节坐标系和运动学方程,进行了正逆运动学分析,得到了正逆解表达式,并将双变量反正切函数运用到了逆解的表达式中,通过真实数据验证了其正逆解的正确性。同时,对该机器人的微分运动进行了分析,通过构造法得到了桌面机器人的雅可比矩阵。运动学分析为桌面机器人动力学和轨迹规划的分析研究打下了坚实的基础。针对传统机器人动力学建模方法推导过程复杂,模型求解困难,计算误差大,且难度随着机器人自由度数的增加而迅速增加的问题。本文受到人工智能的启发,提出新方法,让机器人自己学会动力学建模。采用关节变量作为输入,各关节所对应的力矩值作为输出,构建了三层BP神经网络模型来解决桌面机器人动力学逆问题。为了使模型训练收敛速度更快,更加稳定,在训练中引入了弹性梯度下降算法。运用MATLAB编程,将各关节所对应的力矩预测值与计算所得实际值进行了对比,达到了误差精度要求。预测结果表明,桌面机器人力矩主要由2、3关节承受,其余关节受力较小,所建立的BP神经网络模型能够有效的预测桌面机器人在任意姿态下各关节所需的力矩值。采用人工智能的方法来解决机器人动力学问题对今后机器人动力学问题的研究具有很大的参考价值。为了寻求最佳运动路径,解决逆解多重解和机器人运动平稳性问题。首先,设计了桌面机器人轨迹规划器算法流程图,并在Solidworks中通过桌面机器人的装配关系采用示教的方式获取了起始点和终止点的位置。其次,在笛卡尔空间中利用直线插补算法和调用逆解公式求出了关节角序列,并用动态规划算法选出了一组最优解序列。最后,针对离散的最优解,再利用三次B样条插值对其进行了连续化处理。通过实例验证和MATLAB编程仿真,结果表明,得到了桌面机器人的最佳运动路径并保证了机器人运动的平稳性,也验证了算法的正确性。为了提高机器人设计效率。本文运用MATLAB GUIDE开发了机器人分析仿真平台,该平台实现了机器人运动学正逆问题、动力学正逆问题、动画演示和轨迹规划等分析仿真功能。并将仿真结果以数图的形式输出,可视化效果高。桌面机器人在运动学分析的基础之上。利用BP神经网络解决了逆动力学问题。运用直线插补、动态规划和三次B样条插值算法获得了最佳运动路径。通过开发分析仿真平台,有效地提高了桌面机器人的设计效率。本文的研究成果可以为机器人的设计和研究提供一种可借鉴的方法。