关键词： 空间机器人   动力学建模   参数辨识   牛顿欧拉方程   动量守恒  

摘要： 随着空间科学技术的发展和人类太空探索活动的日益增多,空间机器人因其能完成空间站的组装与维修、以及抓捕、释放、回收卫星等高度复杂的任务,它在未来无疑将会扮演越来越重要的角色。空间机器人是由多个臂杆所组成,是典型的多体动力学系统,各机构之间的铰链存在着摩擦、间隙等非光滑因素,这些因素会对系统的动力学特性造成重要影响。另一方面,空间机器人在执行任务时不可避免地要消耗能源,导致其惯性参数会产生变化,另外使用空间机器人捕获目标时也需要对被捕获目标的惯性参数进行识别。因此,开展空间机器人动力学建模与参数辨识问题的研究具有重要的科学意义和工程应用价值,这些问题也是当前多体动力学领域的热点与难点问题。本学位论文在国家自然科学基金(11132001,11272202,11472171)、上海市教委科研重点项目(14ZZ021)和上海市自然科学基金(14ZR1421000)的资助下,开展了空间机器人动力学建模与参数辨识的研究,主要研究内容和成果总结如下:(1)开展了空间机器人动力学建模的研究。首先,给出空间机器人系统的结构描述,并建立了系统各机构的等效物理、数学模型;然后,采用系统的独立的广义坐标即铰坐标详细推导了空间机器人多刚体系统的动力学方程;进而,分析关节摩擦对系统动力学方程的贡献,给出了关节摩擦的具体形式;最后,开展数值仿真研究,验证本文理论的有效性。数值仿真结果显示,本论文所建立的多刚体系统动力学模型能够有效地描述空间机器人的系统特性,这为后续的参数辨识工作打下了理论基础。(2)基于牛顿欧拉方程开展了空间机器人惯性参数辨识的研究。首先,介绍了六维腕力传感器及其工作原理;然后,推导了考虑关节摩擦情况下的空间机器人的牛顿欧拉方程,并且在此基础上将方程进行改写,分离出待辨识的参数;进而,基于牛顿欧拉方程和腕力传感器信号求解空间机器人的惯性参数;最后,通过数值仿真对本文所给方法的有效性进行了验证,分别从本体、被抓取物体和整体角度进行辨识仿真。数值仿真结果显示,本论文所采用的辨识方法能准确求解考虑关节摩擦情况下空间机器人的各部分参数。(3)基于动量守恒原理开展了空间机器人参数辨识的研究。首先,推导出系统线动量与角动量表达式,并分离出待辨识参数;然后,从本体、被抓物体和二者同时辨识三个方面给出求解空间机器人惯性参数的方法;最后,通过数值仿真验证了该辨识方法是有效的。仿真结果显示,本论文所给方法能准确地辨识出卫星本体和被抓物体的惯性参数。

关键词： 小学信息技术   机器人学习   团队协作能力   教学活动   任务驱动   培养学生   动手能力   创新能力   新课改   教学法   目标  

摘要： 小学信息技术机器人的教学中,是以'新课改'精神为指导,培养学生的创新能力、动手能力和团队协作能力为目标.因此我在开展教学活动的过程中主要采用了'任务驱动'教学法.

关键词： 码垛机器人   ADAMS仿真   ABAQUS分析   应力应变实验   轻量化设计  

摘要： 码垛机器人是伴随着工业机器人的发展而发展起来的,在物流自动化技术领域,发挥着越来越重要的作用,已广泛应用于生活中的各个领域。本文以四自由度ER300码垛机器人为研究对象,对其进行了ADAMS分析、受力分析验证ADAMS分析结果、优化前的ABAQUS分析、应力应变实验验证ABAQUS分析结果,最后对其进行了结构轻量化设计。首先,详细说明ER300码垛机器人的结构特点,根据现在市场上码垛机器人的生产与应用现状,阐述进行轻量化设计的需求,并根据所要研究的内容,提出了论文的基本框架。然后,建立ER300码垛机器人的ADAMS动力学模型,通过ADAMS仿真分析,得出其主要零件的危险姿态以及危险姿态下的受力情况,另一方面将码垛机器人系统简化为连杆系统,各主要零件简化为连杆,通过对其危险姿态下的受力进行分析,得出理论计算结果并以此结果来验证ADAMS建模的有效性。其次,建立ER300码垛机器人的有限元模型,运用ABAQUS软件对优化前码垛机器人各主要零胜进行应力应变分析,得出各主要零件危险姿态下的应力云图和位移云云图,从而得到各主要零件危险姿态下的最大应力,进而确定其结构强度是否具有很大的优化空间,并通过模态分析说明了结构不会发生共振。再次,设计了针对ER300码垛机器人的应力应变实验,通过实验来测量码垛机器人实际工况下不同姿态下的应力应变情况,以验证ABAQUS分析结果,确保分析结果的正确性。最后,根据前面ABAQUS的分析结果,以体积最小为目标函数进行结构轻量化设计,在满足其强度与刚度等约束条件下最大限度的减轻其重量,以达到轻量化的目的,最终得到其各个主要零件的减重百分比以及整体减重百分比,并通过对优化后码垛机器人的模态分析,说明了优化后的码垛机器人稳定性更好,更不易发生共振。

关键词： 电脑机器人   中小学  

摘要： 本刊讯近日,由自治区教育厅主办,自治区电教馆、北海市教育局承办的2016广西中小学电脑机器人竞赛在北京师范大学北海附属中学举行。此次比赛是我区历届以来规模最大的一次,将为第十七届"全国中小学生电脑制作活动"和2016"世界教育机器人大赛"选拔优秀选手。这是一项面向全区中小学生的机器人竞赛活动,旨在全面提高青少年学生的信息素养,弘扬科学技术,普及信息科技教育,培养学生的创新精神、实践能力和团队精神。

摘要： The purpose of the project is to mimic human’s learning and motion mechanisms in order to create an adaptive walking gait on compliant humanoid robot - Atlas. The project applies neural controller theory based on Central Pattern Generators (CPG) to reduce a state (parameter) space from 100 states to an average of 10 states. The goal of the learning mechanism that utilizes unsupervised learning based on self-organizing maps and reward that adapts throughout the learning process is to find global optimal set of parameters for CPG. The learning mechanism also utilizes Covariance Matrix Adaptation – Evolutionary Strategies in order to converge to the parameter region that leads to stable walking gait (success region) quickly.

关键词： 可重构机器人   柔性负载   动力学建模   轨迹规划   振动抑制  

摘要： 在现代制造业中,机器人得到越来越广泛的应用。随着制造业自动化进程的加快,机器人需要有更加灵活的工作方式以及更好的任务适应能力。传统机器人的构型在设计完成后就已经固定,只能被应用到其目标工作任务或相近的其他任务中,灵活性较差。但根据不同的工作需要去设计专门的机器人系统,不仅增加了生产成本,而且开发周期较长,不能满足工作环境快速变化的需求。因此为了克服传统机器人的这些限制条件,可重构模块化机器人应运而生,并且被快速应用到工业制造领域中。航空航天、汽车制造等领域中有很多需要机器人去操作柔性材料的场景,在机器人操作柔性负载的运动过程中,负载难免会发生振动,这大大降低了机器人对柔性负载的操作精度。本文以此为研究背景,开展了可重构机器人操作柔性负载的动力学建模工作,并在此基础上进行了机器人轨迹规划振动抑制研究。机器人操作柔性负载是一个非线性、强耦合的复杂系统,而可重构机器人操作柔性负载建模不仅具有传统机器人操作柔性负载系统建模的难点,还需要考虑机器人构型变化对模型的影响。本文首先提出了一种层序列数组并利用它对可重构机器人的构型进行数学描述,结合指数积公式实现可重构机器人运动学的自动生成;其次,采用变形旋量和模态坐标相结合的方式描述柔性负载的变形,得到负载上任意一点与其固定坐标的变换关系;最后,通过机器人末端夹具与柔性负载之间的关系确定负载上任意点在参考坐标系中的位置和速度。可重构机器人操作柔性负载动力学建模是研究负载振动的基础。本文利用拉格朗日方程建立可重构机器人操作柔性负载系统的动力学方程。文章首先在运动学的基础上研究了机器人系统的动能和势能,并将其带入到拉格朗日方程,得到机器人的动力学模型;其次,对柔性负载进行分析,求出其在参考坐标系中的动能和势能,并推导出其动力学方程;最后,利用机器人末端夹具与柔性负载之间的作用力关系建立整个系统的动力学模型。针对机器人在操作柔性负载运动过程中会产生振动,影响末端操作精度的问题,本文提出了基于粒子群算法的轨迹规划方法抑制负载末端振动。首先建立了负载振动的模态坐标与机器人的关节变量之间的关系式;其次,利用分段多项式插值方法对关节变量进行规划,间接的建立了优化目标(负载末端振动)与优化参数(多项式插值时间)之间的关系;最后,将振动抑制问题转换为插值时间的参数优化问题,并利用粒子群算法完成优化过程。最后以一个三自由度可重构模块化机器人操作柔性杆件的系统作为研究对象进行仿真计算及实验验证。仿真及实验结果证明了建模方法及轨迹规划方法的有效性。

关键词： 中小学生   科技竞赛   机器人   金钥匙  

关键词： 搬运机器人   神经网络   粒子群算法   滑模控制   Simmechanics   动力学仿真  

摘要： 工业机器人作为现代制造领域的典型代表,集精密化、人工智能、机电控制、多传感器融合、柔性制造和计算机应用等众多先进制造技术于一体,成为工业自动化生产线上不可或缺的主流装备,对提高劳动生产率、降低成本、节约能源、增加产品产量和提高产品质量方面具有重要意义。随着经济制度的改革和制造业的不断升级,对工业机器人的性能要求也不断提高,所以提高工业机器人高速高精度运行能力和抗干扰能力成为机器人控制领域的一个重要课题。本文以国产的搬运机器人ER20-C10为研究对象,建立动力学仿真模型,分析和研究机器人动力学特性,设计了神经网络算法与其他算法相结合的控制器,为机器人动力学控制的理论研究提供新的解决思路。首先通过ER20-C10搬运机器人的参数化模型,在Matlab/Simmechanics中建立刚体机器人动力学仿真模型。同时建立空间仿真轨迹,运用D-H参数法进行逆运动学求解,本论文所涉及的机器人模型符合Pieper原则,可利用分离变量法求出逆解,然后筛选出最优解并通过三次多项式样条曲线对各关节运动轨迹进行优化。最后将建立的动力学仿真模型在Matlab软件中进行仿真得到机器人位置、速度、加速度和力矩变化曲线并进行分析,同时验证不同负载下的机器人动力学特性。通过建立仿真模型对机器人轨迹和力矩的特性进行验证分析,为机器人的研发实验提供预测和评估,具有很好的推广价值。作为机器人的核心,控制器是决定机器人动力学性能的重要因素,具有高智能算法的控制系统是机器人未来发展的方向。本文以神经网络算法为基础,结合其他智能算法设计控制器,对机器人动力学性能进行优化。首先将神经网络算法与粒子群算法相结合,针对神经网络算法的权值随机性带来的控制性能不稳定和收敛速度慢的缺点,利用粒子群算法对神经网络权值进行实时在线优化。其次还将神经网络算法和非奇异终端滑模控制相结合,由于滑模控制具有快速性好,无超调和实时性强的特点,适合机器人控制。但是其抖振问题一直是影响其应用发展的重要因素,因此,提出利用神经网络作为机器人不确定部分的滑模动态补偿来削弱控制器抖振,并通过Lyapunov方程对控制器进行稳定性判定。最后,针对以上两种控制器,分别在Matlab软件中编写控制算法并仿真,验证优化后的机器人轨迹跟踪能力和抗干扰能力,通过仿真结果证明了所提出的改进算法的有效性。最后,介绍了ER20-C10机器人控制系统的软硬件组成,并搭建了实验平台。根据示教流程示教编程了机器人运动轨迹,并针对不同负载对机器人进行实验。通过实验结果,分析了不同负载对搬运机器人位置误差和力矩的影响,与第二章建立的机器人动力学仿真结果对比,验证了动力学仿真模型的正确性。

关键词： Delta并联机器人   运动学分析   动力学模型   动力学简化模型   模型验证  

摘要： 并联机器人是现代工业中重要的一类机器人。其中,Delta并联机器人是最典型的空间三平移自由度的并联机器人,它的总体结构紧凑、简单,驱动部分均匀分布于固定平台,这些特点使它具有良好的动力学特性和运动学特性。但是,Delta并联机器人动力学模型运算相对复杂,在实际应用中,庞大的运算量及过长的运算时间降低了整个运动控制的效率,影响了Delta并联机器人的实时性。因此,就要设法缩短动力学模型的计算时间。所以本文研究Delta并联机器人的动力学计算模型,简化模型的运算,使整个运算过程在一个伺服周期内完成,甚至在使用伺服周期更短的控制器时运算速度也能满足要求,对实现机器人运动的高速实时控制具有重要意义。本文对Delta并联机器人的机械机构进行了详细分析并建立了机构的简化模型。在机构简化的基础上进行了位置正解、位置逆解、速度模型、加速度模型的分析,并用仿真软件对模型进行了实际的验证。本文还进行了雅克比矩阵的分析,并采用二分法得到Delta并联机器人工作空间边界点,利用仿真软件绘制出了工作空间轮廓图。本文利用运动学分析的结果,对Delta并联机器人的动力学模型进行了深入研究。研究了全并联机器人的质量矩阵、刚性杆的质量矩阵,并利用虚功原理建立了相应的动力学方程。通过对全并联机器人和刚性杆的动力学分析,建立了Delta并联机器人的动力学模型及其质量矩阵,并对质量矩阵进行了相应的化简。本文对Delta并联机器人的质量矩阵进行了详细分析,分别分析了质量矩阵中各个元素随机构位置的变化而发生变化的情况,利用质量矩阵的对称性提出了简化质量矩阵计算的方法。在对原动力学模型分析的基础上,提出了惯性项、速度项、重力项影响系数的概念,并分情况绘制了影响系数取值分布图,确定了各自图中的过渡面并给出了过渡面平面方程的求解方法,利用过渡面划分了可以忽略、简化运算的区域以及不能忽略运算的区域。此外,分情况对动力学模型的惯性项、速度项、重力项进行了运算的简化,建立了动力学简化模型。通过仿真软件将简化模型与原模型进行了对比,计算了工作空间内简化模型的运算误差、运算时间减少的平均值,验证了简化模型的快速性与准确性。

关键词： Early childhood education   preschool   programming   robotics  

摘要： KIBO is a developmentally appropriate robotics kit for young children that is programmed using interlocking wooden blocks;no screens or keyboards are required. This study describes a pilot KIBO robotics curriculum at an urban public preschool in Rhode Island and presents data collected on children's knowledge of foundational programming concepts after completing the curriculum. The curriculum was designed to integrate music, literacy, and design with engineering and robotics. Children (N = 64) from seven preschool classrooms, ranging in age from 3 to 5, participated in the study. Findings indicated that children as young as age 3 could create syntactically correct programs for the KIBO robot, although older preschoolers (closer to age 5) performed better than younger preschoolers on a standardized programming task. Additionally, all students generally performed better on the programming tasks that required them to manipulate less programming instructions. Implications for designing developmentally appropriate curriculum and scaffolding for young children are addressed.