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： Pt自驱动微纳米机器人   微纳米操作   化学、电化学自驱动   运动模型   动力学实验  

摘要： 微纳米机器人在医疗、生物工程、环境保护等领域有广泛的潜在应用,受到社会各界的广泛关注。其中最具研究价值的是基于微纳米机器人作为给药载体的癌细胞靶向治疗。目前靶向治疗和放、化疗杀死癌细胞对正常细胞也有损害。基于具有生物相容性的微纳米机器人的靶向治疗能够在人体内自发、定向、可控、准确地运动到癌细胞处靶向给药。因为微纳米机器人尺寸微小(小于100μm)而形成尺度效应,有些传统理论将无法应用在微纳米机器人上。微纳米机器人按照驱动方式与控制方法可划分为两类:外场驱动和化学自驱动。其中外场驱动控制一般基于磁场、近红外场等,不仅对于外部设备、仪器要求较高,通常还需要CT等观测设备,对正常细胞具有一定的破坏性。化学自驱动微纳米机器人因无需外场、加工简单、成本低等优势,越来越受到世界各国研究者的关注。本论文面向癌症靶向治疗,基于化学自驱动原理,研究铂金(Pt)自驱动微纳米机器人在过氧化氢(H2O2)溶液中的运动机理。基于微观力学、尺度效应理论对微纳米机器人进行受力分析。微纳米机器人重力数量级远小于粘滞力数量级而忽略不计,并且布朗力方向是随机的,在微纳米机器人运动中主要改变运动方向,运动阻力主要是粘滞力。基于微纳米机器人驱动原理、运动学定律和以上理论分析,建立Pt双金属和单金属自驱动微纳米机器人运动模型,有双金属(Pt/Au)自电泳驱动棒状微纳米机器人直线运动、Z型微纳米机器人自旋转运动;单铂金化学自驱动△型微纳米机器人受力平衡和V型微纳米机器人圆周运动。为制备上述四种不同形状与材质的微纳米机器人,本论文开发了结合聚焦离子束(FIB)技术和等离子溅射技术的Pt自驱动微纳米机器人制备方法。利用扫描电子显微镜(SEM)能量弥散X射线散射方法(EDX)对双金属微纳米机器人金属层纯度进行检测:Pt层纯度94.28wt%,Au层纯度82.75wt%。针对微纳米机器人操作难、释放难、跟踪难等问题,建立了基于微纳操作器、钨探针的实验操作模块和光学倒置显微镜、高速CCD的视觉跟踪反馈系统的实验操作平台,应用双操作器合作剥离与振动释放微纳米机器人的方法,实现了微纳米机器人的可靠操作、释放与跟踪。在所搭建实验平台基础上,实施了四种Pt自驱动微纳米机器人运动学实验,得到了 Pt/Au复合金属棒状微纳米机器人最大直线运动速度为4 Dm/s;Pt/Au复合金属Z型微纳米机器人最大自转转速为19rpm;45°、90°和135°三种单铂金△型微纳米机器人平衡了驱动力和布朗力,可有效保持初始位置;90°单铂金V型微纳米机器人最大圆周运动线速度和最大当量直径为3.42 pMm/s和37.1 μm;135°单铂金V型微纳米机器人因驱动力小于粘滞力而不产生圆周运动。针对微纳米机器人难以固定测量驱动力,本论文基于斯托克粘滞力定律、牛顿第二运动定律、四种Pt自驱动微纳米机器人运动模型以及实验结果反推出四种微纳米机器人驱动力,驱动力数量级在10-14N到10T13N之间。以上实验结果达到了验证本文理论运动模型效果,为未来微纳米机器人靶向治疗理论与应用研究奠定了基础。

关键词： 柔性空间机器人   大挠性航天器   动力学   振动控制   气浮实验  

摘要： 未来一部分航天器尺寸会越来越大,空间机器人将面临更加苛刻的操作环境。一些大型柔性部件,例如卫星天线和太阳能帆板等,都不可避免的会安装在航天器上。由于大挠性结构的振动,使得本身就具有柔性的空间机器人捕获和维修大挠性航天器成为一项非常具有挑战性的任务。本文以柔性空间机器人捕获及操作大挠性航天器的任务为研究背景,重点研究柔性空间机器人及复合体系统建模、动力学耦合及振动控制等方面的内容,并搭建气浮实验系统进行实验研究。目标捕获前,空间机器人含有柔性附件和柔性关节为典型的刚柔耦合系统;目标捕获后,空间机器人和大挠性目标形成一个两端含有挠性附件中间通过柔性机械臂连接的复合体系统。针对此本文采用递推组集的方式建立了柔性空间机器人和复合体系统的动力学模型。基于C语言开发了动力学计算程序并与Adams软件进行了对比验证。在动力学模型的基础上,分析了柔性空间机器人系统的动力学耦合特性。定义了用于描述柔性附件弹性运动到机械臂末端运动耦合大小的耦合因子。并通过建立关节角加速度与弹性变量加速度之间的关系,得到关节运动到附件弹性运动的耦合矩阵。根据耦合矩阵绘制了关节空间描述的耦合图。所开发的动力学计算程序具有高效高精度的优点,为后续柔性空间机器人系统的规划和控制奠定了基础。耦合因子和耦合图可分别应用于设计空间机器人的构型和降低柔性附件的振动。空间机器人进行点到点运动时会激发柔性附件的弹性振动,在柔性空间机器人动力学耦合研究的基础上,提出了一种基于耦合图的减振轨迹规划方法。分别讨论了起始点和终止点位于相同和不同最小耦合曲线两种情况下的关节轨迹规划方法。基于耦合图的减振轨迹规划方法具有直观可行,简单有效的优点。为了确定柔性空间机器人点到点运动时产生振动能量最小或残余振动最小的最优运动轨迹,首先将柔性空间机器人最优运动轨迹确定问题采用Bolza型最优控制进行数学描述,然后利用Radau伪谱法求解柔性空间机器人运动轨迹的最优解。Radau伪谱法确定最优轨迹的同时也验证了基于耦合图的减振轨迹规划方法的正确性。当柔性空间机器人自主抓捕目标航天器时,航天器的运动状态实时发生变化且系统存在复杂的动力学耦合现象,使得无法采用基于离线规划或开环的方式进行柔性附件的振动控制。针对此问题提出了一种同时实现目标跟踪及柔性附件振动抑制的混合控制方法。首先建立了柔性空间机器人目标自主捕获的闭环控制系统并给出了相对位姿测量和自主捕获轨迹规划的方法。然后设计了一种同时满足关节轨迹跟踪和附件振动抑制的混合控制律,并利用李雅普诺夫第二类方法证明了控制系统的稳定性。该方法可以在没有专门柔性附件振动抑制作动器的情况下,实现柔性附件在线振动控制。而且振动信号的选择灵活多样,具有较好的应用价值。当大挠性目标捕获后,安装在目标航天器上的大挠性附件的结构参数未知且其振动无法直接测量。本文利用振动波传递的特性,提出了一种基于振动波叠加的振动抑制复合控制方法。首先阐述了振动波控制的原理,将振动波分为传递波和返回波,给出了返回波的两种计算方法。然后针对复合体系统设计了一种结合PD控制和振动波控制的复合控制方法。并利用李雅普诺夫第二类方法证明了控制系统的稳定性。该方法将对大挠性附件的振动控制完全转移到机械臂关节处实现,具有重要的实际应用价值。根据空间微重力特性和动力学及振动控制实验的需求,本文建立了一套柔性空间机器人地面气浮实验系统。实验系统充分考虑了空间微重力环境和系统柔性特性,可以保证在平面内很好的模拟空间机器人和复合体系统的动力学特性。基于此实验系统,首先开展了复合体系统的动力学特性研究。研究了关节规划方法和规划时间对复合体系统振动的影响。然后采用振动波叠加的复合控制方法对复合体系统振动抑制进行了实验验证。

关键词： Robotics   Insect pollination  

关键词： Computation   Computer science   Artificial intelligence   Neural networks   Cognition   Neurosciences   Communities   Robotics  

摘要： A standard model captures a community consensus over a coherent region of science, serving as a cumulative reference point for the field that can provide guidance for both research and applications, while also focusing efforts to extend or revise it. Here we propose developing such a model for humanlike minds, computational entities whose structures and processes are substantially similar to those found in human cognition. Our hypothesis is that cognitive architectures provide the appropriate computational abstraction for defining a standard model, although the standard model is not itself such an architecture. The proposed standard model began as an initial consensus at the 2013 AAAI Fall Symposium on Integrated Cognition, but is extended here through a synthesis across three existing cognitive architectures: ACT-R, Sigma, and Soar. The resulting standard model spans key aspects of structure and processing, memory and content, learning, and perception and motor, and highlights loci of architectural agreement as well as disagreement with the consensus while identifying potential areas of remaining incompleteness. The hope is that this work will provide an important step toward engaging the broader community in further development of the standard model of the mind.

关键词： 岩石钻孔   隧道支护   钻头振动分析   误差补偿   仿真分析  

摘要： 本文课题来源于国家自然科学基金重大科研仪器研制项目:深部巷道/隧道动力灾害物理模拟试验系统,编号:51427803,对正确、深入地揭示深部巷道/隧道岩爆等类似动力灾害的形成机制和演化规律具有重要的理论和应用价值。本课题所研究的隧道支护钻孔机器人是整个动力灾害模拟试验系统中锚杆支护和钻孔的主要装置。通过对其进行研制及动力学分析,再加上相应的控制系统以完成定位及钻孔的任务,同时预留安装插锚杆机构的位置为后续插锚杆做准备。本文首先介绍了钻岩技术的历史发展,并由此引出国内外锚杆钻机的研究现状,介绍了机械振动和定位误差分析的方法。通过对比国内外锚杆钻机的驱动形式和样式,结合具体工况和课题要求,提出了隧道支护钻孔机器人总体设计方案。包括钻头进给机构、整机支撑机构、支撑主轴、驱动方式的选择,以及驱动电机及控制电机的选型计算及整个机器人工作过程介绍。其次,本文对隧道支护钻孔机器人进行了运动学及逆运动学分析,给出了钻头的工作空间,得出了钻头的运动满足设计要求的结论;针对径向进给电机和钻头电机转速匹配问题,进行了理论推导,为实验提供了理论依据;针对钻头轴向振动这一严重影响工作稳定性的问题,提出了钻孔机器人简化的力学模型,并在理论上推导了钻孔机器人的振动方程。根据方程及振动模型受力,对支撑弹簧的参数进行了优化。并利用优化的弹簧模型结合钻头受力,对整机进行了adams振动仿真,验证了理论推导的合理性;针对细长钻头,对其进行了有预应力的模态分析,得出钻头强度和刚度满足设计要求的结论。再次,本文对控制系统进行了设计。包括控制系统总体框架、通信设计、电机控制硬件设计以及控制系统软件设计。其中电机控制硬件部分包括传感器的选型及原理介绍、步进电机及无刷直流电机的控制原理和实现。此外,重点分析了电机的定位误差,并提出了误差的来源及补偿方法。最后,本文对隧道支护钻孔机器人样机进行了现场实验,包括钻孔功能实验、振动实验、行走定位实验,得出此隧道支护钻孔机器人能满足设计要求的钻孔功能的结论,并且通过实验验证了振动分析理论的正确性以及误差补偿方法的有效性。

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： 仿落猫四足机器人   运动规划   动力学仿真   样机实验  

摘要： 在航天器着陆、火灾救援等方面,机器人高空降落的安全着陆问题是专业机器人领域亟待解决的关键问题之一。针对这一问题,本文从系统的角度出发对落猫安全着陆的整个过程进行了研究分析,设计出了一种仿落猫着陆特性的四足机器人,为四足机器人高空降落的安全着陆问题提供了可借鉴的解决方法,同时对四足机器人的后续研究与发展具有重要的指导意义。本课题来源于国家自然科学基金资助项目“仿落猫着陆特性的机器人任意姿态安全跌落机理及实现方法研究”,主要工作内容如下:1、基于凯恩的弯腰理论对落猫翻正的原理进行了研究,在此基础上,通过粒子群算法对机器人的自动翻正过程进行了运动规划并找到了其最优的运动轨迹。2、对机器人的软着陆过程进行了分析,给出了判定其着陆稳定性的条件并确定了不同因素对其着陆稳定性的影响,同时对主要的缓冲元件进行了设计与分析。3、建立了机器人的多体系统模型并对其进行了动力学仿真。仿真结果表明,该机器人满足设计及功能要求,同时为了提高机器人的着陆稳定性,应使着陆速度和地面倾角尽可能小,且接触类型应首选完全型。4、研制出了机器人的原型样机,并对其进行了悬挂实验。实验结果显示,在误差允许的范围内,该样机实现了其自动翻正。

关键词： EPOR   agents   ethics   roboethics   robotics   law   policy  

摘要： In revisiting the Principles of Robotics (as we do in this special issue), it is important to carefully consider their full meaning - their history, the intentions behind them, and their actual societal impact to date. Here I address first the meaning of the document as a whole, then of its constituent parts. Further, I describe the nature of policy, and use the Principles as a case study to discuss how government and academia can interact in constructing policy. I defend the Principles and their main themes: that commercially manufactured robots should not be responsible parties under the law, and that users should not be deceived about robots' capacities or moral status. This perspective allows for the incorporation of robots immediately into UK society and law - the objective of the Principles. The Principles were not designed for every conceivable robot, but rather serve in part as design specifications for robots to be incorporated as legal products into British society.

关键词： The EPSRC Principles of Robotics   robotics ethic   behaviour traceability   learning capabilities   ability limits   humanoid robots  

摘要： In this paper, we review the five rules published in EPSRC Principles of Robotics with a specific focus on future robotics research topics. It is demonstrated through a pictorial representation of the five rules that these rules are questionably not sufficient, overlapping and not explicitly reflecting the true challenges of robotics ethics in relation to the future of robotics research.