关键词： SCARA机器人   运动学   轨迹规划   动力学   仿真分析  

摘要： 随着生产自动化程度的提高,机器人在工业生产中的应用愈加普遍。四自由度SCARA机器人是工业机器人中应用很广的平面装配机器人。本文根据课题设计了一种四自由度SCARA平面装配机器人。围绕SCARA进行本体结构设计,并且基于ADAMS软件对SCARA进行运动学和动力学的建模与模拟,验证设计的合理性。论文的主要研究内容包括:(1)根据课题的要求对SCARA机器人进行本体结构设计,对关键零部件选型并计算,同时确定了传动方案。然后利用Solidworks软件遵循自下而上的原则构建SCARA机器人的实体三维模型。最后利用ANSYS有限元软件对大臂和小臂的受力进行分析,验证大臂和小臂满足设计要求。(2)通过D-H方法和齐次坐标变换理论,分析SCARA机器人的结构参数,建立运动学模型,对正运动学和逆运动学求解。基于运动学的求解,讨论了 SCARA机器人在关节空间的轨迹规划问题。使用Matlab软件中机器人工具箱建立机器人运动学简化模型,对正运动学进行模拟分析,得到各关节角度位移、角速度、角加速度随时间的变化曲线,同时得到了机器人末端的轨迹,从而验证了数学模型建立的正确性。(3)在运动学分析的前提条件下,对SCARA机器人的动态性能进行理论分析。通过对比机器人常用的动力学建模方法,选择拉格朗日方法对SCARA机器人进行动力学的建模。(4)利用虚拟样机技术,将Solidworks软件建立的三维模型导入到ADAJMS软件中。通过ADAMS分析软件对SCARA机器人进行运动学和动力学仿真分析,得出各关节仿真结果,根据各关节的力、速度、加速度曲线以及受力分析来验证设计的合理性和实用性。结果表明经过仿真获得的参数与实际参数很接近,证实了建立的运动学和动力学方程结果的正确性以及结构设计的合理性。对运动学和动力学的分析可以为机器人的可靠性设计提供了理论基础,同时对结构进行优化,发现设计中存在的问题,提高传动精度。

关键词： 空间垃圾清理   空间飞网机器人   释放动力学建模   动力学分析   柔性欠驱动控制  

摘要： 由于航天技术的迅速发展,以及人类对于空间科学、空间资源、空间军事的强烈探索精神,全世界各个国家每年发射的卫星总数都再不断攀升,而相应的,空间垃圾的数量也在快速增长。目前,国际空间组织已经就空间垃圾卫星处理问题开展了多项专题研讨会,各航天大国都对日益严重的空间垃圾问题给予了高度重视,我国已于2008年启动了空间碎片减缓及清理专项计划,旨在研究如何处理空间垃圾问题。利用空间机器人完成在轨垃圾清除从本世纪开始成为空间技术发展的一个新热点。空间飞网机器人是一种由飞网和可机动单元构成的用于空间垃圾主动抓捕的新型空间机器人,由于具有操作范围大、操作灵活、抓捕包络面积大、抓捕条件低等优势,空间飞网机器人具有其他空间抓捕装置所无法比拟的特点,因此将在未来的空间非合作目标抓捕任务中发挥越来越大的作用。但空间飞网机器人是一个柔性多体系统,其动力学特性和释放特性都鲜有研究,且由空间系绳组成的飞网是一个高自由度的欠驱动柔性系统,这大大增加了控制设计的复杂性。空间飞网机器人释放后的稳定飞行是执行在轨服务任务的前提,因此对空间飞网机器人的释放和释放后稳定控制进行研究是十分重要的。本文主要根据空间飞网机器人的动力学特点,研究其释放动力学和释放后的稳定控制问题,论文的主要研究内容及研究成果如下:首先,针对高自由度柔性空间飞网机器人,提出了完整的运动学和动力学模型,并完成了动力学分析。飞网机器人系统被离散成一系列质点并由无质量弹簧连接而成,所推导的动力学模型既可以同时体现飞网的高自由度柔性和系绳弹性。在所推导动力学模型的基础上,推导了简化的系统模型,完成了动力学分析。在动力学分析中,解算得到了空间飞网机器人的一组奇异解,并通过相平面分析和仿真验算,得出这组奇异解是系统的一组非稳定平衡点。其次,针对空间飞网机器人释放中的折叠方式、弹射初始条件等问题,对其释放特性进行了研究,并给出了空间飞网机器人释放初始条件的最优选择。在对飞网在轨自由飞行进行研究的基础上,根据经典折纸力学中的相关研究,以及飞网弹射的工程要求,给出了飞网折叠方式的三个候选项,给出了飞网在轨自由飞行的评价指标,给出了候选折叠方案在评价指标下的对比分析;在给定折叠方式的基础上,进一步研究了飞网机器人弹射释放的初始角度和速度研究;最后,根据释放条件的分析,在本章小结中给出了飞网机器人释放初始条件的具体选择。再次,针对空间飞网机器人在自由飞行段结束后的控制衔接跳变问题,提出了基于超扭二阶滑模变结构的控制算法,可以有效的抑制飞网的柔性振动,保证飞网机器人完成从自由飞行到控制飞行的稳定过渡,且相较于传统滑模控制器大大减小了执行器颤振。本算法创新性的剥离了系统状态方程的可控部分和不可控部分,将所有系统振动视为作用在4个可机动单元上的干扰,以经典的超扭二阶滑模为基础加以改进,设计了基于补偿项的自适应超扭二阶滑模控制器,既可以快速抑制上述的不确定干扰,还能最大程度的降低控制抖振。最后,通过稳定性分析和飞网机器人的仿真验证,完成了该算法的数学和计算验证。然后,进一步针对未知不确定下空间飞网机器人在自由飞行段结束后的控制衔接跳变问题,在考虑了连接主系绳干扰和模型不确定性的情况下,解决了持续变化的未知不确定作用下,飞网机器人稳定控制问题。根据单根空间系绳的运动可知,连接主系绳的拉力突变会通过其与飞网的连接点,使整个飞网机器人振动发散。所以,针对此问题,创新性的引入了自适应模糊逼近器,利用其通用的非线性逼近能力,辨识由连接主系绳的干扰力,以及系统动力学方程的模型误差共同构成的未知不确定。提出的模糊自适应超扭滑模控制算法,既继承了滑模算法的强鲁棒性、易于设计等优点,又能利用模糊算法的通用非线性逼近能力,辨识控制干扰,从而解决滑模算法中的控制过量问题,达到精准控制的要求,最大程度的减少滑模算法中所固有的抖振问题,减少燃料消耗,延长执行器使用寿命。最后,针对复杂变结构指令下空间飞网机器人的位置跟踪问题,提出了利用分层模糊滑模控制方法解决欠驱动、高自由度、全柔性的空间飞网机器人的构型机动控制问题。所提出的控制算法引入了“分层”滑模面的概念,通过将滑模面分层,涵盖所有的飞网节点状态;并利用带有自学习律的模糊逼近算法估计有建模误差的未知不确定;在系统的闭环稳定性证明中,通过Lyapunov函数证明了系统所有节点在内的闭环系统的渐进稳定性和状态跟踪误差的收敛性,从而保证了飞网机器人中所有编织节点在构型变化中能够渐进收敛。该算法既继承了滑模算法的强鲁棒性、易于设计等优点,模糊算法的通用非线性逼近能力,又能通过分层滑模参数成功的解决了飞网机器人的高自由度欠驱动问题,解决了复杂变结构指令下的构型机动问题。

关键词： 工业机器人   运动学及动力学   区间矩阵   同步控制  

摘要： 工业机器人作为先进、智能工业化设备的代表,在社会生产中有着很重要的地位,其应用领域也在不断的扩大。建立合理的机器人模型是工业机器人控制的基础,龙门机器人是工业机器人的重要组成部分,而动梁的同步性能是龙门机器人亟待解决的关键问题,因此提高同步控制精度,改善工业机器人同步控制性能具有十分重要的意义。本文以KUKA六轴工业机器人和龙门工业机器人为对象,分别对工业机器人运动学、动力学进行建模,设计了龙门工业机器人动梁双电机同步控制器,并结合工业机器人实验室平台进行了实验研究。本文的主要研究内容包括:首先,基于机器人的基础理论对工业机器人进行运动学建模与仿真分析。本文采用标准D-H方法对六轴工业机器人的机构和运动学进行分析,推导出六轴工业机器人的运动学模型,运用代数解法进行逆运动学求解,并采用改进的D-H方法对龙门工业机器人运动控制系统进行配置,通过仿真实验获得机器人末端的运动轨迹及关节角度随时间的变化曲线,完成工业机器人的运动学分析。其次,基于拉格朗日函数动力学方法,建立KUKA工业机器人的动力学模型,根据六轴工业机器人动力学模型的一般方程,推导出龙门工业机器人的动力学模型,并对其动力学模型进行仿真实验研究,得到各关节所受力和力矩的变化曲线,以及龙门工业机器人位移、速度和加速度曲线。再次,针对龙门工业机器人动梁不同步问题,进行了基于区间矩阵的同步控制研究。根据动梁同步轴双电机模型,设计了同步控制器及负载转矩观测器,对龙门机器人动梁双电机系统进行仿真及实验分析,双电机同步误差精度达到0.28rpm。最后,在KUKA工业机器人平台进行了基于运动学模型的精度实验以及基于动力学模型的龙门工业机器人动梁双电机同步驱动综合实验,计算得到重复定位精度和位置准确度,同时通过机器人内置示波器获取实时运行参数曲线。实验结果验证了所提出的同步控制方法的有效性。

关键词： 有缆遥控水下机器人   自由度   计算流体动力学   推进器  

摘要： 受自身机能和科学技术的限制,人类对海洋的了解和利用长期以来进展缓慢。目前陆地资源日益枯竭,开发海洋的需求变得越来越迫切。借助水下机器人技术的快速发展,人类社会发展迈向海洋的步伐正在加快。有缆遥控水下机器人ROV作为水下机器人中重要的一种类型,以其特有的优势,正越来越贴近人们日常的生产和生活。小型化、便携化ROV因其更适合近海、港口、湖泊、水库等自然水体中使用,成为ROV应用的一大趋势。本文研究的是一种可以搭载作业和观察设备的小型ROV浮游移动平台,按照模块化设计的思想,对ROV系统进行控制系统设计、结构设计、仿真分析和水动力学性能研究。通过试验测试推进器的推进力和ROV样机的各项性能,进而验证设计方案。本文主要研究的内容包括以下几个方面:首先,本文介绍了国内外ROV类型水下机器人的相关技术研究及其进展。通过结合本课题中作业环境和性能指标的相关要求,完成了ROV方案的研究和设计,进而确定了六推进器五自由度的推进器布置方案。并在此基础上设计了各部分结构,如耐压控制盒、推进器、照明灯、浮块等。其次,为满足ROV水下载体的运动性能指标,对所设计的ROV外形进行了CFD仿真和流线型优化。通过对比优化前后的ROV水下载体水阻力,得出了各平移自由度的水阻力特性和极大预报值。通过分析流场中ROV脐带缆的水动力特性,得出了脐带缆在极限流场条件下的水阻力预报值。根据导管螺旋桨、喷水推进器的设计思路和方法,结合ROV水下载体和脐带缆的水阻力分析,设计了一种满足设计指标的泵喷推进器,确定了推进器电机的型号、桨叶的各种尺寸参数。最后,按照设计方案完成样机的制作。通过搭建试验平台,进一步测试样机推进器的性能。该试验包括单个推进器的正反向推进力试验和多推进器相互干扰条件下的正反向推进力试验,从而验证了样机推进器的可行性。并且在自然水体和试验水池中,分别测试ROV系统的性能,从而验证了样机系统性能满足各项指标要求。

关键词： 虚拟样机技术   协作机器人   运动学   动力学   仿真  

摘要： “智能工厂”、“无人工厂”在工业4.0时代成为大热之词,并被认为是自动化的最高境界。随着国务院在2015年5月公布的《中国制造2025》规划将工业机器人列为十大重点发展领域之一。从传统工业机器人到协作机器人,这是工业机器人发展过程中的一次重大突破。本文采用虚拟样机技术,分析研究六自由度协作机器人的运动学、动力学和轨迹规划问题,设计了PD+G的控制模型,并进行联合控制仿真,这对协作机器人的设计及力控研究具有重要的使用和参考价值。本课题的主要研究内容如下:(1)本文以遨博(北京)智能科技有限公司的OUR-i5轻型协作机器人为研究对象,利用SOLIDWORKS软件完成该协作机器人零部件模块化建模和物理参数提取,并将该协作机器人的总体模型导入到ADAMS软件中,构建虚拟样机模型。根据协作机器人结构参数和特点,采用改进的Denavit-Hartenberg(D-H)法对其进行数学建模,分析研究协作机器人正运动学和逆运动学问题,在ADAMS软件中对该协作机器人进行运动学仿真,并使用MATLAB软件编写了运动学计算算法。通过运动学分析,详细研究了该协作机器人的雅克比矩阵及其作用。(2)采用拉格朗日动力学方法推导该协作机器人动力学数学模型,并运用MATLAB软件编写了该协作机器人动力学计算算法。为该机器人动力学研究打下了基础。(3)在运动学分析的基础上,采用三项多项式插值法、五项多项式插值法和直线插补法等方法分别对协作机器人进行关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划。使用MATLAB的工具箱Robotic toolbox进行编程,模拟协作机器人运动过程,并绘制作业轨迹,直观的验证了该轨迹规划法的可行性和有效性。(4)通过ADAMS软件导出Controls模块,结合推导的动力学数学模型,在SIMULINK中建立PD+G的控制模型并进行联合仿真分析,为该机器人力控系统的研究奠定了真实可靠的基础。

关键词： Academic libraries   Telepresence   Collaborative alliances   Robots   Communications technology   Attitude surveys  

摘要： Purpose - Librarians are working with telepresence robotics for various uses, particularly as a communication method inhabiting a space between video chat and face-to-face interactions. The library at (Blinded University) partnered with the (Blinded Laboratory) to showcase this emerging technology in a high-traffic setting utilized by students of every level and major. The purpose of this paper is to discuss patron reactions to this technology exhibition in the library, beta testing of a telepresence robot in various public services tasks, and library employee attitudes toward this unfamiliar technology before and after one-on-one training. Design/methodology/approach - The project gathered data through three studies. In study 1, feedback forms were filled out by patrons who interacted with or piloted the robot. In study 2, observations by the librarians piloting the robot for various public services activities were recorded in a log. In study 3, employees were invited to complete a pretest designed to solicit perceptions and attitudes regarding the use of the robot, become trained in navigating the robot, and complete a posttest for comparison purposes. Results were analyzed to find trends and highlight perceived uses for the technology. Findings - Patrons and library employees gave positive feedback regarding the novelty of the technology and appreciated its remote communication capability. Trialed uses of the technology for public services yielded positive results when the TR was used for public relations, such as at special events or in greeting tours, and yielded less positive results when used for reference purposes. Library employees comfort with and perceived utility of the robot grew consistently across departments, levels of experience and employment types after a personal training session. Originality/value - Although libraries in recent years have surveyed users regarding TR technology, this paper captures quantitative and qualitative data from a library

关键词： Evolutionary robotics   developmental robotics   evo-devo   genetic algorithms   ontogeny   phylogenetic  

摘要： Evolutionary algorithms have previously been applied to the design of morphology and control of robots. The design space for such tasks can be very complex, which can prevent evolution from efficiently discovering fit solutions. In this article we introduce an evolutionary-developmental (evo-devo) experiment with real-world robots. It allows robots to grow their leg size to simulate ontogenetic morphological changes, and this is the first time that such an experiment has been performed in the physical world. To test diverse robot morphologies, robot legs of variable shapes were generated during the evolutionary process and autonomously built using additive fabrication. We present two cases with evo-devo experiments and one with evolution, and we hypothesize that the addition of a developmental stage can be used within robotics to improve performance. Moreover, our results show that a nonlinear system-environment interaction exists, which explains the nontrivial locomotion patterns observed. In the future, robots will be present in our daily lives, and this work introduces for the first time physical robots that evolve and grow while interacting with the environment.

关键词： Kinect   竞赛机器人   体感控制   骨骼追踪  

摘要： 20世纪50年代末世界上第一台机器人诞生后,机器人得到了迅速发展。20世纪末期,智能机器人竞赛如雨后春笋逐渐涌现。竞赛用机器人可以在一定程度上体现国家智能化发展的水平及自动控制领域的根本实力。近年来,随着国家对创新型人才的需求,越来越多的高校把机器人竞赛作为大学生创新实践能力培养的一个新平台。随着虚拟现实和增强现实技术的不断成熟,各种新型的VR、AR设备不断问世,设计能够更好捕捉操作者意图以实现更自然人机交互的智能设备已是大势所趋。其中,微软发布的Kinect体感设备因其不借助其他物理设备,直接通过肢体控制游戏而风靡一时。之后,微软发布了Kinect for Windows SDK,可以支持Kinect完成骨骼识别、语音识别及人脸识别等功能。至此,Kinect逐渐走出游戏领域,并开始应用于医疗、教育及机器人等多个领域。本课题来源于2015年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛武术擂台赛中动作投影比赛项目。本课题的研究目的是通过基于Kinect体感控制机器人的设计与开发,激发学生对机器人技术及体感交互技术的学习兴趣,培养学生的创新思维与实践操作能力,进而对创新型人才培养理论的进一步发展提供参考。此研究不仅可以应用于机器人竞赛,也可以作为教学案例应用在课堂教学和实践教学中,用于丰富和充实大学生课堂教学和实践教学的案例成果。本文以Kinect体感设备为硬件基础,开发一款竞赛用的体感控制机器人,旨在构建一个以体感控制技术为背景,以机器人为对象的实践方案,开展体感控制技术和机器人竞赛的教育和研究,开展高校创新型人才的训练和培养。本文首先通过研读竞赛文件了解机器人竞赛内容及相关技术要求;接着根据机器人技术要求和竞赛任务制定体感控制机器人的总体设计思路;其次依据“自顶向下”软件开发思路分别完成上位机控制端设计及下位机机器人设计;然后在Visual Studio软件中完成体感控制机器人的软件设计与编写;最后,对设计好的机器人进行体感控制测试,并对测试结果提出一些改进意见。

关键词： 乡镇高中   普通生   机器人竞赛   辅导  

摘要： 中小学机器人竞赛活动已经开展多年,通过训练与参赛可以培养学生的创新精神、合作能力与竞争意识,提升师生的综合素质,机器人教学也逐渐走进了学生的视野和课堂教学之中。我校从2010年起开展机器人竞赛辅导,起步较晚,但近年在虚拟机器人的三个项目和智能垃圾分类(实体)项目上连续取得省一等奖的好成绩。笔者认为对于大多学校来说,作为乡镇高中在资金投入不多,学生基础不理想,竞赛支持环境不优越的条件下,我们取得成功的做法更值得借鉴和推广。

关键词： 并联机器人   动力学建模   U-K理论   层级堆聚   关节摩擦  

摘要： 冗余驱动并联机器人具有精度高、刚度大、承载能力强、结构紧凑的优势,在医疗、航空航天、军事等高精尖领域得到了广泛的应用。由于并联机器人是一种复杂的空间多闭环结构,其动力学建模过程复杂,步骤繁琐。目前,传统的并联机器人动力学建模方法虽然可以得到其动力学模型,但仍存在建模过程需要借助辅助变量,很难得到动力学解析模型,无法系统化建立在非理想约束下的动力学模型等问题。针对上述问题,本文以二自由度冗余驱动并联机器人为研究对象,引入一种新的多体系统建模方法—基于Udwadia-Kalaba理论的层级堆聚建模方法,对机器人进行动力学建模研究。首先,对二自由度冗余驱动并联机器人进行运动学分析,对其运动位置进行正向和逆向求解,求解关节与末端执行器之间的速度及加速度关系;其次,利用层级堆聚建模方法,建立并联机器人的动力学解析模型,并借助拉格朗日乘子方法对该动力学模型进行理论论证,然后在MATLAB软件中对机器人的动力学模型进行仿真验证;最后,考虑并联机器人主动关节处约束为非理想约束时,即考虑主动关节处存在摩擦力,建立机器人关节摩擦力的解析式,并对关节摩擦力与关节约束力进行解耦,得到并联机器人动力学解析解耦模型,再借助MATLAB软件对获得的模型进行数值仿真研究。研究结果表明,层级堆聚建模方法能够系统、快速、有效地建立二自由度冗余驱动并联机器人的动力学解析解耦模型,为机器人的动态控制研究奠定基础。