关键词： 软体机器人   能量法   运动静力学   接触分析   动力学  

摘要： 软体机器人由低弹性模量的超弹性材料制成,依靠材料和结构的变形完成任务。软体机器人有无穷多自由度,表现出非常好的灵活性、安全性和可靠性。由于超弹性材料引入的材料非线性、机器人大变形造成的几何非线性以及运行过程中随机接触导致的边界非线性使得软体机器人的仿真非常困难,机器人设计很大程度上还依赖于不断的实验试错,高效准确的仿真方法可以极大提升研究人员的效率。构成软体机器人的材料通常可以用超弹性材料模型描述,其本构关系以能量密度函数的形式给出,直接从能量入手进行建模可省去繁琐的力学平衡关系的构建,大大简化了建模过程。本文围绕软体机器人的能量法建模进行了如下研究工作: (1)提出了软体机器人的直接能量建模方法。由于软材料的本构关系都是用能量密度函数表达的,本文跳过繁琐的力学分析,在有限元插值的基础上将软体机器人的非线性力学问题转化为能量极小值问题,通过优化求解机器人的非线性变形。本文所建模型中,应变能是直接通过应变能密度函数求得,为了区别于通过应力应变积分计算应变能的方法,本文称所提方法为直接能量法。为提升优化求解效率,本文从材料的能量密度函数本构关系出发构造了总势能Hessian矩阵的常值近似表达,将常值近似表达与L-BFGS算法结合,构造了简洁高效的能量极小值优化求解算法。分别用所提方法和有限元法对六个机器人实例进行建模仿真,通过结果对比证明了所提方法的准确性和高效性。通过对绳驱动柔性臂屈曲变形的分析展示了所提出方法在处理后屈曲变形的优越性。 (2)在直接能量建模框架下提出了严格无穿透的软体机器人接触分析方法。以严格几何约束的形式将接触问题添加到能量法建模框架中,构建了求解软体机器人接触仿真的约束最优化问题;基于内点障碍函数法求解约束最优化问题,保证了迭代过程始终处于可行域内,消除了仿真过程中跨越可行域边界时可能出现的奇异性问题。实例仿真表明所提出的接触仿真方法具有非常高的准确性和稳定性,尤其在有限元无法收敛的复杂变形问题中表现出色。 (3)进一步拓展直接能量建模框架用于软体机器人的动力学仿真。基于达朗贝尔原理将动力学项表示为惯性力,推导了惯性力做功的表达式,从而将软体机器人的动力学仿真也转化为能量极小化问题。利用所提出的方法对七个软体机器人的动态加载过程进行仿真,并将结果与有限元方法进行对比以证明该模型的精度,并且所提模型充分发挥了能量法仿真框架的优势,在商业有限元软件(如ABAQUS)无法仿真的复杂变形中表现稳定。 (4)在线性四面体单元基础上,推导了二阶四面体离散模型表面网格的近似表示方法。通过添加虚拟节点和边线将离散模型的表面表示为线性三角形网格,在此基础上给出了使用二阶四面体单元离散化时气动驱动器和接触问题的建模方法,丰富了能量框架下单元类型,提高了计算精度。 (5)综合上述理论成果开发了软体机器人仿真软件,包括模块化的求解器、基于VTK的后处理模块等。利用所开发的软件对七个软体机器人进行仿真,在同等精度条件下,所开发的软件比商业有限元软件效率提升两到三倍;对于商业有限元软件无法解决的带有复杂变形和接触的软体机器人案例,所开发软件仍可以得到准确的预测结果,展现出很高的稳定性和鲁棒性。

关键词： 仿河狸水下机器人   水动力学建模   刚液融合   稳定性分析  

摘要： 随着海洋资源的不断开发利用以及军事上的各种需要,适应于各种水下环境的机器人在海洋资源勘探与军事侦察方面受到了极大重视。水下仿生机器人通过模拟生物的运动模式完成水下的高效运动,实现复杂的水下探测与勘探任务。在生物学上,河狸具有强壮的后肢与有力的尾部,后腿具有宽大的脚蹼。在水下运动时,脚蹼起到主要的推进作用,尾部主要起到稳定躯干的作用,其次起到辅助的推进作用。依靠带蹼后肢与尾部,河狸能够在水下环境中具有极佳的游动能力。目前,仿河狸水下机器人的研究较为有限,对于仿河狸水下机器人的动力学与稳定性研究更是少之又少。仿河狸水下机器人的动力学研究是实现良好运动控制的基础。为探究由两腿部连杆与可弯曲脚蹼构成的后腿的水动力,本课题提出了一种结合机器人刚体动力学与水动力学的刚液融合动力学模型。该建模方法基于牛顿欧拉公式,对河狸机器人后腿的腿部运动学进行外推,并且基于水动力学建立脚蹼上的水动力学模型,结合牛顿欧拉内推公式,计算出髋关节的受力,并通过仿真和实验验证。该建模方法融合了刚体动力学与水动力学,对于具有多关节蹼式推进的机器人的动力学建模具有较好的参考价值。仿河狸水下机器人的尾部仅有一个关节,尾部扁平且宽大,常用的水动力学理论无法推算出其作用力。本课题提出了一种结合水动力学与挠度形变理论的仿河狸水下机器人尾部分段动力学建模方法,能够有效分析其尾部在摆动过程中的动力学特性,并通过仿真与实验对比分析出模型的正确性。结合推进效率与运动稳定性提出了一种用以衡量仿河狸水下机器人尾部运动性能的指标,对其运动性能进行定量评价。最后,基于仿河狸水下机器人后腿与尾部的水动力仿真结果与实验采集数据以及外壳水动力仿真结果,通过Adams仿真软件分析计算获得机器人的整体姿态角变化,结合变重心与变浮心模型(由于随着后腿与尾部的运动,仿河狸水下机器人的重心与浮心会随之改变),由此计算获得恢复力矩与干扰力矩,得到稳定性指标。通过对不同步态下的实验数据与仿真数据计算获得的指标进行对比分析,为仿河狸水下机器人的水下运动控制与运动优化奠定基础。

关键词： 多关节机器人   动力学参数   阻抗控制   状态观测器  

摘要： 随着机器人技术的不断发展，多关节机器人在工业生产、医疗、服务业等领域得到广泛应用，为经济发展提供高效驱动力。多关节机器人因具有高灵活性、高效率与适应恶劣环境等优点，可实现各种复杂任务，如抛光打磨、装配以及一些物理人机交互等。其实现各类复杂任务的前提是具有精准的动力学模型与合适的控制策略。然而，多关节机器人模型是典型的多变量耦合非线性系统，难以精确建模，如何辨识其动力学模型是亟需解决的问题。此外，多关节机器人的辨识动力学模型偏差会对跟踪控制精度造成影响，导致控制任务失败。为此，本文针对多关节机器人动力学参数辨识以及抗扰阻抗控制展开研究，主要工作如下：　　1、针对辨识过程中动力学参数驱动问题，采用五次傅里叶级数作为激励信号，利用Hadamard不等式构造激励轨迹优化的目标函数，同时以关节空间约束作为激励轨迹优化的限制条件，求解激励轨迹参数，控制机器人跟踪激励轨迹以激发待辨识参数性能。最后，通过仿真验证激励轨迹的有效性。　　2、针对动力学参数辨识问题，采用Stribeck模型辨识各关节摩擦参数，补偿各关节摩擦力，根据力矩偏差信息构造惯性参数优化问题，提出了基于白鲨算法的动力学参数辨识方法。进而利用高斯过程回归学习偏差与关节信息的关联模型，补偿辨识模型预测偏差，提高了对关节力矩的预测精度。最后，在测试集上验证了辨识参数与偏差补偿策略的可靠性。　　3、针对辨识模型偏差影响系统性能的问题，将机械臂模型偏差、外部干扰建模为系统总扰动并扩张为系统新状态，提出了基于线性扩张状态观测器的阻抗控制策略，采用前馈方式实现对系统总扰动的估计与补偿，进而提高控制精度。最后，通过仿真与实验验证观测器对系统状态的估计能力以及所提出的控制策略的有效性。

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： 智能机器人  

ISBN: (纸本)9787548755012

摘要： 本书共6章，内容包括：教育机器人竞赛系统设计概述、超声波擂台对抗机器人系统设计、红外传感器擂台对抗机器人系统设计、红外遥控擂台对抗机器人系统设计、智能搬运机器人系统设计、教育机器人的组装与调试。

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。