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。

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。