关键词： 行走机器人   丝杆   虚拟仿真   运动性能  

摘要： 近代以来,由于科技水平的快速发展,各种新兴机器人不断涌现,从单一到复杂,从一体化到多模块合成,从单任务到多任务,其应用已渗透到国民制造的各行各业,如军事、环境监测、船舶制造、能源勘探与开采、医疗、农业、林业、服务业等工况比较恶劣的环境,并在其中扮演着至关重要的角色[47]。同时随着国民经济的快速发展,不可避免的造成环境等附带因素的恶化,因此履带机器人的工作环境在可预见时间内比较严峻,这就要求履带机器人具有良好的动力学性能。本文在此方向下,以履带移动机器人为研究对象,充分了解国内外该型机器人的技术状况,并结合履带机器人的各种工作环境,提出一种利用丝杠实现变节的三节六履式移动机器人设计方案,并介绍其整体结构,研究其运动学性能,利用多体动力学软件RecurDyn构建虚拟样机模型分析其动力学性能,并在此基础上完成样机模型的制作,最后通过相关试验说明方案的可执行性,具体工作如下:(1)提出履带机器人的具体结构方案,阐述其具体机械结构以及工作原理,给出其具体设计参数,并分析重要部件间的关系,如摆臂仰角与滑块移动距离间的关系等。(2)依据机器人结构设计方案,结合机器人学知识构建机器人运动学模型,阐述机器人越障原理,分析其在不同运动状态下运动学性能,如机器人抗倾覆性能,机器人跨越凸台、楼梯、壕沟、斜坡以及转弯等性能。(3)依据上述理论分析,建立动力学模型,并结合三维模型软件和动力学分析软件建立虚拟样机模型,并就上述性能在RecurDyn中进行动力学性能的仿真试验,验证设计参数的有效性与正确性,并为样机的关键部件选择提供重要参考,为后续样机的制造奠定牢固的基础。(4)完成试验样机的制造,并在此基础上完成简易控制系统设计,进行试验。结果表明机器人各项运动性能基本符合最初设计意图,具备不错的运动学与动力学性能,为履带移动机器人的后续改进与完善提供初始参考。

关键词： 运动学   动力学   Robotics Toolbox   轨迹规划   联合仿真  

摘要： 工业4.0的浪潮带来了工业机器人的飞速发展,现如今,工业机器人已经被广泛应用于制造业等行业,它们已成为了先进科技力量的标志。传统的人工生产线越来越多地被自动化生产线代替。工业机器人的飞速发展,促进了对其运动学、动力学、轨迹规划和运动仿真分析等方法的多样化。本文以自主开发设计的一款六自由度串联机器人作为研究对象,使用连杆参数法创建机器人坐标系统,根据齐次变换矩阵求解机器人运动学正问题,并采用反变换方法用解欧拉角求运动学逆解,求解结果验证了机器人运动学理论的正确性;研究了机器人的动力学分析方法,以牛顿方程和欧拉方程为出发点,分析了机器人构件的速度和加速度以及牛顿-欧拉动力学递推计算公式;应用拉格朗日方程描述了机器人系统的动力学方程,对动力学的算法进行优化并验证了算法优化的可行性,在Matlab进行动力学仿真,通过对机器人正、逆动力学仿真,仿真结果得出关节力、力矩与关节速度、加速度等变量的相互关系,以及机器人在有无重力的情况下的力矩变化,对机器人的运动控制提供巨大帮助;应用Matlab强大的建模仿真和GUI编程功能,在Robotics Toolbox工具箱中建立机器人数学模型,根据机器人运动学基础的知识,实现了机器人正运动学和逆运动学的求解仿真,并根据机器人各个关节的角位移、速度和加速度等参数变化曲线,验证了机器人运动学的正确性和机器人建模的可行性;此外还研究了基于关节空间规划和笛卡尔空间规划对机器人运动轨迹规划等问题,实现了对机器人运动路径的实时规划。最后,在Solidworks创建六自由度串联机器人三维模型,通过插件建立与Matlab连接,在SimMechanics中生成仿真模型。根据机器人运动学,对机器人规划一条直线的运动轨迹,并把各个关节的角位移信号输入到SimMechanics仿真模型中,得到可视化仿真模型界面,验证仿真所得到的机器人运动轨迹与期望轨迹一致,达到了预期的要求。通过在SimMechanics建立物理仿真模型,使计算、仿真、分析这些过程一次性完成,这种新的仿真方法提高了运动仿真效率与准确性。

关键词： 并联机器人   运动学   工作空间   动力学   控制策略研究  

摘要： 制造业是国家立国基础,随着国家2025政策方针的提出,提高我国制造业水平和自动化程度成了大势所趋,机器人技术的快速发展就是其中一个重要表现。并联机器人作为机器人家族中特殊的一名成员,广泛运用在各种外形不规则小物件的快速抓取,大型件的码垛等领域。针对并联机器人在结构设计,控制等方面还存在的问题,本文以运动控制为主线,从运动学,工作空间,动力学,控制策略等几个方面对3-PUU并联机器人进行研究。首先,文章对3-PUU并联机器人进行了结构分析和自由度分析并采用解析法对机器人的正逆运动学进行了分析,求解出运动学中关键的雅克比矩阵。在此基础上采用曲面扫略分析结合机械结构形位约束的数形方法,对机器人的工作空间进行了分析,求解出了边界曲面的解析表达式,从而得出了空间尺寸与机械结构尺寸的关系,解决了数值分析方法一直无法解决的边界曲面方程的求解问题。然后,对求解出的工作空间进行了虎克铰约束分析,形成了运动学范畴的完整研究体系。在运动学分析的基础上,采用虚功原理的分析方法,对3-PUU并联机器人进行了动力学建模,得出了3个驱动端电机输出力矩和动平台运动轨迹之间的关系;在MATLAB上进行编程,得出指定轨迹下的驱动端电机输出转矩图,并在ADAMS动力学仿真软件上进行了仿真分析,在相同轨迹下将仿真分析结果与MATLAB理论编程计算结果进行对比、验证。接着,对机器人领域的控制策略进行研究,首先分析了常见的控制策略,对比了各自的优缺点,选出了属于运动学控制范畴的传统PD控制策略、基于动力学模型的计算力矩控制策略和基于模糊算法的动力学模型补偿控制策略,然后分别对他们的控制思路、控制流程进行了分析,并构建起MATLAB-ADAMS联合仿真平台,对三种控制算法的控制效果进行了仿真对比分析,以轨迹跟踪的精度为控制目标,得出了基于模糊算法的动力学模型补偿控制策略能获得更好的控制效果的结论。最后,进行实验样机验证,对3-PUU并联机器人的工作空间进行了三维空间扫描,验证前面分析结果的正确性,也为工程实际中机器人机构的设计提供了坚实的理论基础。

关键词： 机器人系统   碰撞动力学   零空间优化   高斯最小约束原理   数值仿真  

摘要： 机器人系统的碰撞问题是实际工程技术中一个重要的研究课题,碰撞会影响系统运行的精度和稳定性,引起机器人系统动力学形态的巨大变化。同时,碰撞过程中产生的较大冲击力可能损坏系统或者目标物,因此,对机器人系统的碰撞问题进行研究,具有很强的理论意义和实际应用价值。本学位论文基于碰撞过程中产生的碰撞冲量和碰撞冲量矩理论建立机器人系统碰撞动力学模型,并对碰前轨迹规划和碰后动态响应问题进行了研究。本学位论文的主要研究工作如下:利用Lagrange方程,建立机器人系统的动力学模型,并以此为基础根据经典碰撞理论与恢复系数方程,推导得到碰撞时系统的外部碰撞冲量求解模型;该模型中碰撞点的速度与碰撞冲量之间是解耦的,有利于计算求解;基于Newton—Euler方程,采用相对坐标法,建立串联机器人系统的内部冲击动力学模型,探讨平面三杆机器人碰撞构型对内、外部冲击的影响,分析连杆质量和长度两个物理参数对关节内部冲击的影响。介绍闭链系统运动学分析的环路方程法及L-D动力学建模方法,引出建立闭链系统内部冲击动力学模型所需的一阶运动影响系数矩阵,基于串联支链内部冲击动力学理论,建立平面闭链五杆机器人机构内部冲击动力学模型。根据冗余机器人关节空间自运动特性,以平面三杆机器人为实例,通过建立其逆运动学解析解,采用零空间优化法进行碰前轨迹优化研究,分析零空间优化法对碰撞冲量的减小效应。根据碰撞过程中产生的冲量原理和高斯最小约束原理,运用求多变量函数极值的方法,建立多刚体系统接触碰撞后瞬时速度求解方程式,通过数值仿真,分析和探讨碰撞后系统的动态特性。

关键词： 球型机器人控制平台   快速控制原型   自动代码生成   物理建模  

摘要： 在移动机器人控制系统的设计中,由于理论和实际存在较大差别,控制工程师往往发现仿真结果难以直接应用于实际系统,工作效率较低,急需一个能观察算法实时性能的控制平台;为了满足移动机器人这个特殊的使用环境,该平台需具备小型化、无线控制的特点,而现有解决方案如dSPACE实时系统由于体积较大且不支持无线控制,无法满足使用要求。本论文借助快速控制原型的思想,设计制作了一个球型机器人控制平台。首先,完成机器人的软硬件配置,并制作系统各部分的代码生成模块;其次,建立机器人的仿真模型,利用仿真结果为实际调试提供参考;最后,通过实验对系统的传感器和执行机构进行调整,再完成整体平衡控制器的调试。论文的主要内容如下:(1)硬件平台设计。首先,根据系统要求从全局高度规划整个电气/机械系统;其次,完成机械结构的设计与组装;再次,配合机械架构对机器人的电气系统进行配置与改造,为发挥机电系统的全部潜力打下硬件基础。(2)软件平台设计。首先,介绍了软件的设计思想与整个控制平台的使用流程;其次,分别完成传感器、执行器的驱动程序开发;再次,利用S函数将驱动程序封装为代码生成模块。软件平台将硬件与MATLAB&Simulink环境相结合,实现了仿真与实际系统的无缝连接,使工程师能够方便快捷地观察控制算法与实际被控对象相连时算法的实际性能。(3)仿真模型建立。首先,采用传统机理建模的方法推导了机器人的拉格朗日方程,得到其动力学模型并进行简要分析;其次,重点介绍了机器人的物理建模过程与控制器的设计,仿真结果表明了控制器的有效性;最后,总结了机电系统物理建模过程中的注意事项。(4)实验验证。首先,通过姿态估计、电机调整、平衡调试三个实验展示了控制平台与实际系统实时交互的过程,体现了控制平台与外部物理世界相互作用的能力;其次,详细对比、分析了系统的仿真结果与实际曲线;最后,根据实际经验总结出正确看待理论仿真与实际调试的观点:理论仿真提供大致范围,实际经验确定具体细节。

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。

摘要： 本刊讯(记者张英通讯员侯桂芬)5月12日至14日,由陕西省科协、陕西省教育厅、共青团陕西省委、陕西省知识产权局联合主办的第十七届陕西省青少年机器人竞赛在西安高新国际学校举行,来自全省10个市、32个县区、75个基层单位的师生组成的160支队伍,裁判员、工作人员和志愿者近700人参加了竞赛。本次竞赛共设置创意比赛、综合技能、FLL挑战赛、VEX挑战赛、WER创新赛5项赛事,在同等规则下分小学、初中、

关键词： Dual-arm redundant robot system   dynamics algorithms   jerk level   joint-angle drift   synchronous repetitive motion  

摘要： Dual-arm redundant robot systems are usually required to handle primary tasks, repetitively and synchronously in practical applications. In this paper, a jerk-level synchronous repetitive motion scheme is proposed to remedy the joint-angle drift phenomenon and achieve the synchronous control of a dual-arm redundant robot system. The proposed scheme is novelly resolved at jerk level, which makes the joint variables, i.e. joint angles, joint velocities and joint accelerations, smooth and bounded. In addition, two types of dynamics algorithms, i.e. gradient-type (G-type) and zeroing-type (Z-type) dynamics algorithms, for the design of repetitive motion variable vectors, are presented in detail with the corresponding circuit schematics. Subsequently, the proposed scheme is reformulated as two dynamical quadratic programs (DQPs) and further integrated into a unified DQP (UDQP) for the synchronous control of a dual-arm robot system. The optimal solution of the UDQP is found by the piecewise-linear projection equation neural network. Moreover, simulations and comparisons based on a six-degrees-of-freedom planar dual-arm redundant robot system substantiate the operation effectiveness and tracking accuracy of the robot system with the proposed scheme for repetitive motion and synchronous control.

关键词： 柔索并联机构   运动学   力封闭工作空间   协同避障   耦合动力学模型  

摘要： 本文依托于国家自然科学基金"电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人动态耦合特性、控制技术及实验研究(51575150)"项目,以模块化可重构柔索并联机器人为研究对象,对其机构创新设计、机构运动学与静力学分析,力封闭工作空间分析评价,复杂环境下的协同保障以及动力学建模仿真以及实验开展等问题进行了研究,本文完成的主要工作归纳如下:1.本文介绍了电液复合驱动模块化可重构柔索并联装备实验平台的硬件系统构成,并对其机构的重构原理及多种基本构型进行了阐述;通过机构创新设计,提出了一种新型索杆复合驱动的可重构串并联码垛机器人,并对其机构工作原理以及几种重构构型进行了详细阐述。2.本文分别对电液复合驱动模块化可重构柔索并联装备实验平台与设计提出的新型索杆复合驱动的可重构串并联码垛机器人的运动学以及静力学进行了系统分析,并建立了统一的力封闭工作空间求解模型。本文还提出了一种针对柔索驱动模块化可重构串并联机构的快速力封闭工作空间求解算法。并利用MATLAB对机器人的运动学及力封闭工作空间进行分析计算与评价。3.本文针对模块化可重构柔索并联机器人对其不同工作环境下的协同避障方法进行了探讨。文中通过简化分析将可重构柔索并联机器人的协同避障工作环境被分为大型单一障碍物下与复杂作业环境下两种。其中对于大型单一障碍物下的协同避障作业,本文提出了基于计算几何及人工势场法的柔索并联机器人协同避障方法。对于复杂作业环境下协同避障作业,文中首先通过简化建立起其一般模型,并在此基础上利用计算几何、凸包映射算法及多指抓握等理论,对不同构型及障碍物分布下的可重构柔索并联机器人无碰撞力封闭工作空间进行了计算,随后本文提出了可实现最优索力分布的协同避障算法,并通过MATLAB平台及实验对所提出的算法进行了分析及验证。4.本文建立了电液复合驱动模块化可重构柔索并联装备实验平台的耦合动力学模型。文中基于拉格朗日法建立了考虑驱动器及柔索弹性的耦合动力学模型。随后通过MATLAB平台分别对传统动力学模型及所建立的耦合动力学模型进行了分析与比较。对驱动器及柔索弹性对系统动力学模型的耦合作用进行了初步分析与研究。

摘要： 2017年4月23日,中国技能大赛—第十三届全国工程建设系统职业技能竞赛暨第一届全国焊接机器人操作大赛完成全部赛程,在欢呼声中战幕缓缓落下.过去的7天里,各参赛选手纷纷亮出自己的绝活,展开激烈角逐,顽强拼搏、奋勇争先,赛出了风格、赛出了水平.