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： 动力学模型   姿态检测   卡尔曼滤波   联合仿真  

摘要： 基于倒立摆模型和两轮自平衡小车而研发的双足轮式机器人具有灵活运行和体积小等优点,可以在各种复杂的环境中得以应用,地震搜救时狭小的地带及人多拥挤的工作环境中都可以代替人类高效工作,同时由于机器人自身缺乏稳定性,被控对象自身也是一种非线性,有多个变量组成的欠驱动系统,可以作为一个平台来检验优化的控制算法,越来越多的研究所及科研院校对此投入研究,因此对双足轮式机器人的运动学和动力学控制算法的研究具有很好的现实意义和理论价值。针对双足轮式机器人的性能要求,画出整体的机械结构图并建立机器人整体的设计方案,针对提出的结构设计方案进行整体的硬件选型,根据姿态传感器、执行机构、控制机构三部分的部件构成,搭建出一台简单轻巧、结构合理的双足轮式机器人样机平台。通过搭建出的硬件架构,建立数学模型推出机器人的正逆解得出关节角度之间的数量转换关系,得出实际的物理参数,运用欧拉-拉格朗日方程建立动力学模型将动力学方程转换成矩阵的形式,在MATLAB中进行实验验证,说明该模型的正确性。对于陀螺仪和加速度计在姿态传感的检测中会存在噪声干扰和漂移误差等问题,提出了一种基于欧拉角和卡尔曼滤波的方案来对姿态检测的角度进行信息融合,通过在系统中对每一时刻的角度进行滤波处理和修正反馈,最终对姿态信息得出最优估计。经过实验验证可以对噪声有良好的抑制效果,在不同的环境下都可以提高机器人的姿态检测精度。通过Simulink与ADAMS进行联合仿真,对机器人的腿部伸长量与关节旋转角仿真分析,得出对机器人腿部伸长仿真值与测量值误差为2厘米,关节角误差为3度,由此可以验证本文搭建的系统构成、数学模型、控制算法及编写的程序是正确的。

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： 工业机器人   高速运动   动力学简化   柔性关节   控制  

摘要： 在现代工业中,高速运动工业机器人被广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域,成为推动工业自动化的关键设备之一。在高速运动时,机器人的非线性动力学特性十分显著,复杂的动力学影响了机器人控制的实时性。此外,关节柔性也会导致机器人各连杆之间产生振动。因此,在机器人的动力学建模和控制中,必须充分考虑关节柔性因素。本文以六自由度工业机器人为研究对象,针对复杂的动力学会影响基于动力学控制的实时性问题,以及高速运动时关节柔性导致的关节振动和变形问题,在刚体动力学模型的基础上简化动力学表达式,并考虑关节柔性因素,建立六自由度高速运动机器人动力学模型。通过研究机器人高速运动时影响动态精度的多种因素,利用计算力矩法进行控制并在该控制方法上进行改进,以提高机器人高速运动时的动态精度。论文主要研究内容如下:首先,根据机器人的结构与参数,构建了机器人的D-H坐标系与参数模型,对机器人正运动学模型和逆运动学进行了推导,得到了机器人末端的位姿变化矩阵表达式与逆运动学的八组解析解,通过多种方法验证了所建立的六自由度工业机器人正运动学模型和逆运动学求解的正确性,为研究机器人动力学奠定基础。其次,分析机器人的刚体动力学特性,利用牛顿欧拉法递推六自由度机器人动力学模型,对机器人各关节进行轨迹规划,实现从低速运动向高速运动的转换。将动力学表达式中的惯性项、离心力与哥氏力项和重力项进行简化,得到了机器人高速运动时的简化动力学方程以满足控制的实时性要求,通过对比机器人各关节驱动电机的输出力矩,证明了动力学方程简化的合理性,为进一步研究考虑关节柔性时的高速运动机器人的动力学特性和控制方法提供理论依据。然后,建立机器人柔性关节模型,在考虑关节柔性的情况下建立六自由度柔性关节机器人动力学方程。基于该模型,研究了机器人关节运动的速度大小对各关节产生振动的影响,并探讨了在高速运动时关节刚度和阻尼的大小对各关节振动与变形的影响;采用计算力矩法对柔性关节机器人进行控制,对比分析了机器人简化模型的有效性,并将计算力矩法与模糊控制理论相结合改进了传统的计算力矩法,以此来提高高速运动机器人的动态精度。最后,利用Adams虚拟样机软件建立了考虑关节柔性的六自由度工业机器人仿真模型,在Simulink中建立控制系统,然后通过Simulink和Adams联合仿真的方法,完成了机器人高速运动时控制的仿真,仿真结果表明基于模糊理论的改进计算力矩法可对柔性关节机器人进行有效控制。

关键词： 机器人学   思政教育   改革与实践  

摘要： 本文以机器人工程专业核心课程——“机器人学基础”课程为例，从思政教育角度出发在教学方法、教学手段、创新实践教学、多元化考核体系上进行探索，着力解决机器人工程专业人才培养和教育教学中的突出问题，努力构建以思政教育为导向、集教与学于一体的教学新模式，有效推进自主探究与思政融合的模式。这对于提高学生的学习兴趣、知识应用能力、探究思维能力、创新实践能力和就业竞争力具有重要意义。

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   免疫克隆选择算法   自适应阻抗  

摘要： 随着工业机器人的应用场景日益复杂,对机器人性能和精度的要求也越来越高。一方面,工业机器人动力学模型具有高度不确定性和时变性,而保证高精度的轨迹跟踪性能必须要对动力学参数进行准确识别。另一方面,对于抛磨、装配、焊接等接触式作业任务,要求机器人必须具备一定柔顺性从而避免零件和自身的损坏。为此,本文主要从工业机器人动力学参数辨识以及阻抗控制两个方面展开研究。主要研究内容及创新点如下:(1)利用修正D-H法对六自由度工业机器人进行了运动学分析,基于牛顿-欧拉法构建了考虑关节摩擦特性的动力学模型。为了保障模型参数的唯一可辨识性,利用平行轴定理对模型进行了线性变换并对辨识参数进行重组。最后,通过Adams和Matlab联合仿真分析对重组后模型的准确性进行了验证。(2)针对辨识过程易受噪声干扰而导致参数精度较低的问题,提出了基于改进免疫克隆选择算法(ICSA)的动力学参数辨识方法。首先,为了降低噪声对辨识过程的干扰,以辨识观测矩阵条件数最小为准则优化了轨迹常系数。然后,为了提高参数辨识精度,通过改进克隆复制策略并引入自适应变异机制来提高算法全局搜索能力。最后通过实验对不同算法辨识结果进行验证,结果表明所提方法能够降低关节力矩误差均方根,提升动力学辨识参数的精度。(3)针对工业机器人在环境位置和刚度变化下的接触力控制问题,设计了一种学习率模糊调整的自适应阻抗控制器。首先基于辨识模型设计了结合前馈补偿的自适应阻抗控制器,其次为了降低变环境刚度下的力超调与跟踪误差,引入模糊控制思想对学习率进行在线调整。同时采用变尺度状态转移算法对阻抗控制参数进行优化。实验结果表明,所提方法能够提高变环境刚度下恒力和变力的控制精度与动态响应性能。在以上理论方法研究的基础上,研发了基于APP Designer的工业机器人动力学参数辨识及控制仿真软件,实现了激励轨迹求解、采集数据预处理、参数辨识与结果显示、控制仿真等功能,有效提高了辨识和控制仿真过程的可操作性。论文共计图40幅,表10个,参考文献67篇

关键词： 工业机器人   动力学   模态分析   结构优化设计  

摘要： 工业机器人作为一种自动化设备,用于在制造和生产过程中执行各种任务。随着现代制造业的快速发展,工业机器人在生产线上扮演着至关重要的角色。本文基于6自由度工业机器人为研究对象,对机器人动力学优化分析与机器人结构优化设计进行了深入研究。本文研究内容主要包括:(1)在对机器人本体机械结构研究分析的基础上,通过建立基准坐标系与各连杆杆件坐标系,基于改进型D-H法,构建了面向机器人正运动学分析的数学模型,并以此为切入点,通过解析法数学代换,研究机器人逆解问题,分别推导出机器人6个关节角的解析解数学表达式。通过微分变换法求解机器人雅克比矩阵,描述了机器人运动速度与关节角速度之间的关系。对机器人奇异位姿进行分析,并分离奇异位姿参数。(2)基于Lagrange法建立了机器人动力学数学模型,通过适当简化机器人结构,对机器人动力学方程进行优化计算,优化计算后得到机器人动力学各连杆惯量系数项、科氏力与向心力系数项以及重力系数项解析解。基于多体动力学软件对机器人虚拟样机进行运动学和动力学仿真分析,输出了机器人运动学和动力学特性参数曲线,为物理样机的调试提供了参考。(3)利用有限元分析软件对机器人三种典型工况姿态进行整机模态分析,仿真求解出机器人三种典型工况姿态下前四阶模态与振型。整理总结了随位姿变化时机器人固有频率和振型的变换规律。针对机器人部件结构优化问题,采用多目标优化技术,以提升力学特性与结构轻量化为优化设计目标。根据机器人部件线性静力学与模态分析仿真结果,基于有限元分析软件优化设计模块对机器人大臂和腰部以及小臂模型进行了结构优化变量筛选、DOE试验设计、灵敏度分析、响应面拟合以及全局优化求解,实现了对机器人大臂和腰部和小臂的结构优化设计。经过结构优化设计后的机器人部件在满足力学性能的前提下,减轻了结构重量,提升了一阶固有频率,实现了部件的结构优化设计。