关键词： 水陆两栖机器人   CFD   动力学模型   数值仿真  

摘要： 针对多模态水陆两栖机器人作业环境复杂使得水下运动状态难以预报等难题，基于CFD方法求解的水动力系数，构建了机器人水下运动的五自由度动力学和运动学模型。基于机器人水下动力学模型，采用四阶经典龙格库塔法，开展了机器人直航运动及水平面回转运动数值仿真研究，并进行了水池试验验证。试验结果数据与数值仿真结果误差均不超过10%，验证了机器人水动力系数及五自由度动力学模型的准确性，为水陆两栖机器人研制提供了理论与技术支撑。

关键词： 机器人竞赛   中职   课程教学优化   工业机器人操作与编程  

摘要： 随着“机器人﹢”行动稳步实施,机器人应用广度深度加速拓展,行业飞速发展,对技能人才的数量和质量提出了新要求,当前工业机器人专业所培养的人才与企业需求间存在差距,为切实提高中职学校工业机器人专业人才培养质量,本文从竞赛视角下,对中职学校《工业机器人操作与编程》课程进行教学优化设计和教学实施验证。主要研究内容与结论如下:(1)通过教育观察、问卷调查以及访谈的方式深入了解中职学校《工业机器人操作与编程》课程教学现状、学生学习心理以及学生对课程和竞赛的看法,探究当前课程存在的问题,以确定课程的优化方向,为课程教学优化提供依据。(2)对全国职业院校技能大赛中的“机器人技术应用”赛项进行分析,挖掘技能竞赛中可与常规教学相融合的内容,寻找值得借鉴的教学方法、模式以及可转化为常规教学资源的竞赛资源,打破技能竞赛与常规教学间的壁垒。(3)以课程现存问题和机器人竞赛对专业课程教学优化改革的作用为依据,对《工业机器人操作与编程》课程进行教学优化设计。补充细化教学目标,根据教学目标,以竞赛项目为载体,选取教学内容进行重组和模块划分;提出教师是学生学习的促进者,教学过程应坚持以学生为中心;以任务驱动法为主,多种教学方法混合的教学模式;引入竞赛,形成以竞赛为主线的教学模式四点优化策略。更新教学评价方式,融合竞赛标准,促进课程评价主体多元化和评价标准规范化,“以赛代考”拓宽评价渠道。(4)对优化课程进行教学实施,对“码垛与拆垛应用”的教学设计、教学过程作出说明,并通过访谈、测试等方式对课程教学效果进行验证分析。教学实施结果表明,优化后的《工业机器人操作与编程》课程能让学生在学习过程中获得自信心、爱上学习;有效提高学生学习的积极性;能够活跃课堂氛围,使学生课堂体验感得到极大的提升;学生的理论知识、实操技能以及职业素养得到全面培养,综合能力显著提升。

关键词： Automated robotic experiments   Computational mechanics   Computer graphics   Robotic manipulation   Sim2Real manipulation  

摘要： Slender structures, widely found from natural environments (e.g., tendrils) to engineering applications (e.g., flexible electronics), frequently experience geometrically nonlinear deformations and substantial topological changes when exposed to simple boundary conditions or modest external stimuli. On one hand, the nonlinear dynamics of slender structures present considerable challenges for the automated manipulation of these structures by robots. On the other hand, the automated interactions between robots and such structures also open up opportunities to enhance our understanding of the mechanics governing slender structures. This dissertation focuses on the synergy between computational mechanics and robotics for the manipulation and study of slender structures. Specifically, it delves into discrete differential geometry (DDG)-based simulations, an emerging field in computational mechanics, to develop a comprehensive sim2Real manipulation framework for generating task-oriented deformable manipulation strategies. Moreover, we conduct automated experiments to gain valuable insights into the behavior of slender structures. Our contributions can be categorized into three main areas: First, we develop a penalty-energy-based method and combine it with Kirchoff rod’s theory to simulate rod assemblies with frictional contact responses. Our simulation method is validated, demonstrating its robustness, accuracy, and efficiency across diverse scenarios. These scenarios include modeling flagella bundling, a significant biological phenomenon for bacterial navigation, as well as tying knots. These numerical validations underscore the potential of our approach as a significant step toward the ultimate goal of a computational framework for sim2real manipulation tasks. We then combine our numerical framework with desktop experiments to investigate the mechanics of various types of knots. Second, we combine DDG-based simulations, scaling analysis, and machine learning to develop a

关键词： 工业机器人   动力学模型   模型辨识   碰撞检测  

摘要： 随着工业机器人的应用领域不断增长,人机共享同一空间的工作方式可以提高工作效率。为保证人机协作的安全,碰撞检测技术成为了人机协作领域中的重要研究方向。实现碰撞检测通常需要机器人具备一定的外力感知能力,然而工业机器人内部通常没有集成力矩传感器,使得机器人关节对外部作用力的感知能力较弱。由于外部传感器的成本普遍较高,且安装额外传感器可能会增加控制系统的复杂性,因此,通过分析机器人关节受力情况建立动力学模型代替力矩传感器计算外部碰撞力是实现碰撞检测的基础。本文以六自由度串联型工业机器人为研究对象,从动力学建模、模型参数辨识以及碰撞检测三方面展开研究。首先基于牛顿-欧拉迭代法分析运动过程中关节所受的力/力矩,通过关节坐标系进行推导建立机器人的动力学模型;将动力学模型线性化并基于QR分解得到最小可辨识参数集;其次基于有限傅里叶级数构造机器人的激励轨迹,以最小化观测矩阵的条件数为优化准则进行轨迹系数优化。对采样数据进行滤波处理以提高信噪比,最后基于最小二乘法对动力学模型的最小参数集进行辨识,并通过实验验证参数辨识值的精度。为了提高模型的力矩估计精度,本文通过改进摩擦模型以及考虑机器人结构的非线性特性等因素建立了一个较为完整的动力学模型,并将模型辨识分为参数和非参数两部分。对于可辨识的惯性、摩擦等参数,针对最小二乘法对数据噪声以及离群值敏感的问题,提出了一种基于迭代优化算法的辨识框架,引入噪声方差矩阵以及离群值权重矩阵。在参数辨识过程中通过对噪声方差矩阵、离群值权重矩阵以及改进的摩擦参数进行迭代优化,并设置合适的停机准则使迭代收敛,从而提高参数的辨识精度。对于机器人结构的非线性特性等因素产生的补偿力矩,提出了一种基于LSTM的补偿力矩估计模型,通过训练网络参数建立从关节运动到关节补偿力矩的映射关系,完成关节补偿力矩的隐式建模。为了使补偿力矩模型能学习到不同运动过程中的力矩变化特点,使用多组不同的运动轨迹数据训练模型,从而提高模型的估计精度和鲁棒性。在工业机器人各关节只有单编码器的情况下,提出一种免外部传感器的机器人碰撞检测与安全响应方法。针对机器人关节对外部碰撞力感知弱的问题,设计了一种关节外力矩观测器,该观测器结合扰动原理和广义动量建立机器人状态空间方程,并基于卡尔曼滤波算法实现对碰撞力矩的观测。设计了一种随关节速度变化的碰撞阈值,结合外力矩观测器的输出实现工业机器人的碰撞检测。为了减少碰撞后可能造成的二次伤害,设计了一种基于导纳控制的安全响应策略,在碰撞发生后将碰撞力转化为位置指令,驱动机器人关节运动远离碰撞点,从而实现碰撞后的安全响应。以六自由度工业机器人为实验平台,分别对机器人的动力学模型和碰撞检测方法进行实验验证。基于所提的方法,得到了完整的机器人动力学参数和补偿力矩估计模型,通过对比模型的预测驱动力矩与实际驱动力矩来验证方法的精度,实验结果显示所提的方法在关节驱动力矩的估计中具有更小的误差,证明了所提方法的优越性。基于已辨识的动力学模型,进行机器人的碰撞检测与安全响应实验,实验结果显示所提方法能提高碰撞检测灵敏度并实现安全响应控制,验证了方法的有效性。

关键词： Handling Robot   Kinematics Modeling   Dynamics Modeling   Dynamics Simulation   Modal Analysis  

摘要： The nickel anode plate handling robot is a typical industrial robot because of its large working range,flexible movement,compact structure,and ability to grab objects close to the machine *** to the structural characteristics of the nickel anode plate handling robot,the 3D model of the handling robot was drawn using Solid Works 3D design *** dynamic model of the nickel anode plate handling robot was established and *** on the ADAMS simulation software,the simulation model of the robot is constructed,the dynamic simulation is carried out,and the force curve of the joint is *** lays the foundation for optimizing the structure design and control system design of the handling *** purpose is to directly transport the nickel anode plate to the destination to truly realize the purpose of delivering goods to people;thus,this type of handling robot is *** Works and Workbench software are used to establish a 3D model and finite element model,carry out a detailed design of the nickel anode plate handling robot,carry out modal analysis on the main structure of the robot,and analyze its external excitation *** mounting plate of the lifting mechanism on both sides was the main factor affecting the dynamic characteristics,and the designed handling structure would not resonate due to external *** the overall structure of the handling robot is novel,and the design is reasonable,which can realize the handling of nickel anode plates and has high application *** thesis has carried out many aspects of research on the palletizing and handling robot and completed the research on the mechanical structure design,kinematics modeling,dynamics modeling,motion simulation,and modal analysis of the nickel anode plate handling *** include the following:The handling robot is introduced,and the domestic and foreign research status of handling robots is *** to the actual production lin

关键词： 六轴机器人   动力学建模   高精度控制   先进控制理论   工业生产  

摘要： 本文围绕工业生产中六轴机器人运动控制系统的动力学建模与高精度控制策略展开研究，通过深入分析六轴机器人的结构与工作原理，建立了系统的动力学模型，考虑了各关节间的耦合效应和惯性影响，并针对六轴机器人在工业生产中对高精度控制的需求，提出了一种基于先进控制理论的控制策略，综合考虑了多因素影响，包括外部扰动、传感器误差及机械系统非线性等。通过优化控制算法实现了对六轴机器人运动的高精度实时控制。实验结果表明，所提出的控制策略在提高机器人定位精度和运动稳定性方面取得了显著的成果，为工业生产中六轴机器人应用提供了可靠的技术支持。

关键词： 协作机器人   动力学模型   参数辨识   阻抗控制  

摘要： 工业机器人正朝着更简易、更灵活、更高效安全的方向发展,协作机器人被提出并正在成为自动化的新方向。为了保障人机安全,特别是在装配、抛光以及医疗护理等与人交互的任务中,机器人能顺应外界环境力的要求已经成为现代机器人控制上的必不可少的一环。因为柔顺控制中需要对位置和力矩进行协同控制,所以必须对机器人建立动力学模型以实现高效精确的力/位控制。本文完成基于动力学模型参数辨识来实现机器人末端顺从外界力的柔顺控制方法研究,主要内容有:首先,对本文的实验载体Panda3机器人进行运动学和动力学分析,提出了一种基于改进的遗传算法的动力学辨识方法。在运动学方面,使用MDH建模方法完成正运动学,借助该机器人第二、第三和第四轴满足Pieper准则来推导了其逆运动学的封闭解;在动力学方面,使用牛顿-欧拉法建立其理想的数学模型,推导了动力学的参数惯性集并将其线性化,并完成激励轨迹的设计。最后设计了相关实验并验证其有效性。其次,研究了阻抗控制。提出了不同的控制方式和控制空间下未装设力传感器的解决方法。分析并推导了基于力矩和基于位置的阻抗控制的方法之间的异同。针对基于力矩的阻抗控制对比了在笛卡尔空间的控制和在关节空间下控制的不同影响,然后对这三种控制通过Matlab仿真进行了对比验证,实验仿真表明所设计的控制器在外力的作用下有一定的顺从作用。再次,提前使用MuJoCo平台对现有Panda3机器人完成虚拟测试和早期验证,提出了一种改进的粒子群算法来求解最优阻抗参数。借助MuJoCo平台对Panda3经行仿真建模,建立一个接近实际的仿真平台,来研究了阻抗控制中未知环境的交互难题,并针对平面任务轨迹受刚度环境力和斜向任务轨迹受刚度环境力进行了仿真验证。最后,通过前述完成对实验室现有的6轴机器人Panda3动力学参数辨识后,对所提出的阻抗方法设计了相关实验,验证其有效性。

关键词： 新工科   工工交叉   专业群   课程群  

摘要： 针对新工科背景下企业对人才的需求产生变化，现有的培养体系无法适应的问题，北京联合大学机器人学院实施以跨学科工工交叉专业群建设作为新工科教育的组织模式，进行多学科交叉融合的专业群建设，使各专业在保留、发展各自特色的同时又可以相互支撑、相互渗透。通过研究与实践，建立起专业设置合理、运行管理高效的专业群，以及与之相适应的课程群体系、教学队伍、工程实践条件、教学组织模式和管理运行机制，形成具有地方高校特色的新工科人才培养模式。