关键词： 缆索检测机器人   斜拉桥缆索   缆索检测   动力学分析  

摘要： 针对目前迫切需要斜拉桥缆索检测自动化而设计的一种轻型缆索检测机器人,分析了总体结构方案和特点。在此基础上进行动力学分析,综合考虑机器人向上爬行和向下爬行的运动要求,推出了机器人的驱动条件和附着条件,并进行了电机初步计算。

关键词： 球形机器人   欧拉角   非完整约束   拉格朗日乘子法  

摘要： 给出了平面——球系统中描述球体姿态的三个欧拉角的具体定义,在此基础上确定了完全描述球形机器人系统的七个状态变量,指出机器人在运动中所受的三个非完整约束,应用拉格朗日乘子法推导出球形机器人动力学方程.针对建立的动力学方程进行了机器人前向滚动状态下的仿真分析,验证了建立模型方法的正确性以及方程形式的有效性,为球形机器人进一步的控制奠定了理论基础.

关键词： 机器人学   环境建模   边界参数求精   边界特性辨识  

摘要： 环境建模堪称一切自主载体与机器人高效发挥作用的前提,然而也是本学科顺利发展的瓶颈。人工测绘工作场所不管准确性、快捷性,还是及时反映环境变化经常均难以满足客观需求。惟有通过边界跟踪期间的自动辨识、学习方可从根本上彻底解决面临难题。论文比较系统地论述了借助码盘和漫反射光电开关,利用跟踪过程提取参数辨识边界特性与路口特征,并不断求精各类参量,同时也讨论了在此当中遇到的某些关键难题处置对策。

关键词： 四轮独立转向   直接横摆力矩控制   侧偏角   前馈-反馈控制  

摘要： 随着机器人技术的发展,移动机器人在诸多领域如战场、沙漠探险、行星探测以及服务领域的应用日趋广泛,这对移动机器人在实际的地形环境中运行,提出了稳定性、通过性和机动灵活性的要求,另外,当移动机器人沿着规划的轨迹运行时,期望能很好地跟踪轨迹,因而需要移动机器人具有良好的控制策略。 本文首先研究在实际的地形环境下,移动机器人车轮与地面之间接触产生的力学作用。对移动机器人的驱动轮在可变形土壤上运行时的受力情况进行分析,建立车轮与地面相互作用力学模型,得出牵引力、载荷和驱动转矩的数值解法;利用郎肯土力学理论,分析移动机器人转向时车轮侧面与土壤挤压受到的压力和车轮轮缘与土壤的摩擦力,得到车轮的侧向力。 结合在实际地形中的受力情况,根据达朗贝尔原理,建立移动机器人的四轮独立转向动力学模型。 针对四轮独立转向和四轮独立驱动(4WIS4WID)的移动机器人,深入研究了轮式移动机器人的转向运动控制方法,在四轮转向(4WS)控制理论的基础上,结合四轮独立驱动的直接横摆力矩(DYC)控制,建立4WIS+DYC的联合控制模型。建立侧偏角和横摆角速度具有最佳输出响应的移动机器人理想模型,采用基于四轮转角的前馈和基于4WIS+DYC系统模型和理想模型的质心侧偏角和横摆角速度的误差反馈相结合的控制策略,并利用最优控制的方法确定了反馈系数,使移动机器人满足跟踪轨迹和稳定性的要求。

关键词： 自动导航小车   工业机器人   运动学分析   雅可比矩阵   牛顿-欧拉法  

摘要： 由固定在各个工位完成物料抓取作业的搬运作业机器人和完成物料运送作业的轮式移动机器人组成的多机器人协调工作的机器人搬运系统,是柔性制造系统的典型物流搬运装置。论文以机器人搬运系统为对象,研究、设计了一种轮式移动机器人(自动导向车,简称AGV)和一种搬运作业机器人,对搬运作业机器人进行了运动学分析和动力学分析,同时完成了相应的仿真和试验。论文的主要内容有以下几个方面: (1)在论证同类机器人构型的基础上,对两种机器人分别进行了本体方案设计。内容包括构形方案设计、动力方案设计和结构方案设计,并用Solidedge软件建立了机器人三维实体模型; (2)对搬运作业机器人模型进行运动学分析。首先用D—H方法建立了机器人的连杆坐标系,推出了运动学方程;然后用Pieper法并借助z-y-z欧拉角求出了机器人的封闭反解;采用矢量积分法构造出了机器人的雅可比矩阵,在此基础上对机器人进行了速度分析和奇异性分析;为了验证上述解析方法的正确性,用同样的方法求出了Motoman Up50机器人的运动学方程,并通过试验进行了验证。 (3)利用虚拟样机技术对搬运作业机器人进行运动学仿真。把Solidedge下建立的机器人三维模型进行处理,并导入ADAMS软件中,建立机器人的仿真模型,然后进行运动学仿真,通过把仿真结果和理论求解结果进行对比,从而验证前面的运动学分析结果。 (4)对搬运作业机器人进行动力学分析。首先分析了相邻两连杆的运动学、静力学和动力学关系,然后在Maple软件中编写动力学求解程序,用牛顿-欧拉法推导出了机器人动力学方程。在此基础上,又编写了机器人动力学仿真程序,对动力学方程进行了初步验证。 论文所完成的机器人本体方案设计,以及对搬运作业机器人进行的运动学和动力学分析,为课题的进一步研究打下了前提基础,并且文中所采用的一些分析和仿真方法也对同类机器人的开发积累了经验。

关键词： 被动行走   动力学分析   吸引域   倍周期分岔   动力学仿真  

摘要： 目前,行走机器人已成为机器人研究领域的一个热点,其中被动行走机器人由于具有效率高、结构简单等特点,日益成为研究的重点。本文对准四足被动行走机器人的动力学特性展开了研究。 首先建立了机器人的三维结构模型及其等效简化结构的多刚体动力学模型。根据对被动行走机器人运动特性的分析,分别利用拉格朗日方程和动量矩原理,建立了机器人摆动阶段和碰撞转换阶段的动力学数学模型。选取碰撞发生后瞬间的相截面为庞加莱截面。根据能量守恒关系选取能使机器人稳定运行的初始条件的迭代初值,根据机器人系统的数学模型,运用四阶龙格库塔迭代法求解机器人在庞加莱截面上的不动点,并通过分析雅可比矩阵的特征值判断不动点的稳定性,以稳定的不动点作为运动的初始条件。 然后,运用中心点胞映射法求解不动点的吸引域。由于不动点的吸引域大小可以衡量运动的稳定性,所以本文通过对吸引域体积的计算,分析了质量比、斜坡倾角等参数变化对机器人行走稳定性的影响规律。并以此为依据综合考虑各参数对机器人稳定性的影响情况,选择合理的参数使机器人具有较大的稳定裕度。利用分岔图、相平面图等图形分析了系统响应的周期运动、倍周期分岔等运动形式的转化与演变过程。研究了腿质心位置及斜坡倾角等参数对机器人运动的倍周期分岔行为的影响及变化规律。通过求解质量比、斜坡倾角等参数变化时的不动点,分析了参数变化对机器人稳态行走步态的影响。 最后,利用ADAMS软件建立了准四足被动行走机器人的虚拟样机,以数值仿真求得的不动点及吸引域中的状态参量为初始条件,进行了动力学仿真分析。给出了机器人位姿随时间变化的特性曲线,并与数值分析结果进行了对比,验证了该机器人动力学建模与分析方法的正确性。对偏载作用下的机器人行走进行仿真分析,结果表明其具有良好的稳定性。

关键词： 动力学   旋量   AB算法   计算力矩法   工业机器人   可视化  

摘要： 多体系统动力学是一门高度交叉的前沿学科,它是刚体力学、分析力学、弹性力学、矩阵理论、图论、计算数学和自动控制理论等多学科相结合的产物。多体系统动力学的研究之所以受到重视,是由于它对工程领域(机械、车辆、机器人、航空和航天等)的研究能获得重要的实用价值。 尽管多体系统动力学算法方法本质上殊途同归,但计算效率却有高下之分。对动力学算法的研究,本文将着重从计算效率考虑,这对于越来越复杂,规模庞大的多体系统具有重大的意义和价值。本文对于动力学算法将采用基于旋量的表示方法,采用递推方式,得到正向和逆向动力学的递推算法。 逆向动力学本质上是对机器人操作手的计算扭矩控制。采用牛顿欧拉高效递推算法完成逆向动力学的计算,在控制仿真中将利用这个算法完成基于模型的控制算法,提高控制精度。 正向动力学是需要对机器人操作手计算机仿真和实时反馈控制时使用。通过仿真,实现对控制算法、控制策略的设计和比较,以及优化控制参数的功能。基本方法有单位矢量法,AB算法等。 多体系统动力学在工业机器人的研究中也有重要作用,在工业机器人的研发设计和控制过程这两个方面涉及到的最多。 计算机仿真技术的发展为直观再现复杂机械系统的动力学过程提供了有效手段。并将仿真计算结果以图表和曲线形式表达出来,同时还可以通过三维动画观察仿真结果。本文研究了两种可视化的仿真方法。整个仿真系统将会涉及到机器人机构学、机器人运动学、机器人动力学、机器人零件建模、机器人三维动画和机器人运动控制等诸多问题。

关键词： 协助站起机器人   站起动作   人体建模   人体运动跟踪   生物力学分析   机器人动力学   模糊系统  

摘要： 家庭服务机器人是机器人研究领域的一个重要发展方向,其中的协助站起机器人是近年来出现的一种新型家庭服务机器人。由坐姿转换为站立的姿势是大多数人每天都要频繁执行的基本而重要的动作。协助站起机器人,就是为了帮助人们特别是老人完成日常生活中的站起动作而设计的装置,它以提供支持力减轻用户关节的负担,协助保持用户的站起动作平衡为目标。本文在对协助站起机器人国内外相关研究现状的分析和比较的基础上,在协助站起机器人的数据采集和协助策略方面,做了以下工作。 首先,本文对协助站起机器人的相关研究进行了综述,包括站起动作的分析和站起过程中的生物力学分析,人体建模,以及协助站起机器人的设计参考和协助策略等方面的内容。 其次,修改并提出了基于单目视觉的站起动作无标志测量方法,用单摄像头取代需佩戴在用户身上的传感器或标记,在无需人工干预和依赖传感器的情况下,获取站起动作过程中的人体关节点坐标及角度变化,为站起动作的动力学分析包括关节力矩计算提供输入数据。 最后,对减轻站起过程中关节负担的协助策略中的协助力分析进行了合理的改进,并针对站起过程中关节转矩变化特点,以及协助站起策略中的协助减轻关节负担和协助保持身体稳定两种策略的特点和区别,建立了一个一输入二输出的模糊系统。该模糊系统以站起过程中大腿与水平方向的夹角为输入,区分站起动作的完成进度,以两种协助策略在整个站起过程中的权重为输出,由此使得协助站起机器人在用户站起动作的不同完成阶段协助的重点不同,更好地协助用户在站起过程中减轻关节负担和保持身体稳定性。

关键词： 并联机器人   轨迹规划   最小时间   加加速度约束   三次多项式  

摘要： 因为能够代替人在很多危险恶劣的环境下工作,机器人已经有了非常广泛的工业应用。串联机器人能满足很多类型工作的要求并且在工业中占有很大的比重。但是因为并联机器人具有结构刚度大,承载能力强,运动精度高以及位置逆解简单等许多串联机器人所没有的优点,近年来成为机器人研究的主要热点之一。只是因为并联机器人动力学特性一直没有完全开发影响了它大有前途的应用性。 轨迹规划对机器人高效,稳定的运行有重要的影响,通过轨迹规划使机器人运动平滑,平稳,减少冲击和振动,提高机器人的稳定性,可靠性,工作效率有重要意义。一般来说,机器人轨迹规划的控制算法可以分成两段,即,轨迹规划和轨迹跟踪。这种方法在为了减少机器人动力学的耦合性和复杂性方面有很广泛的应用。而现在多数的轨迹规划没有考虑机器人的动力学特性。 本论文以实验室的三自由度并联机器人为研究对象,深入研究了基于动力学的并联机器人的轨迹规划方法,比较了最小时间,加加速度,和三次多项式三种轨迹规划方法的性能指标。试验结果表明,基于动力学的最小时间规划具有最小的运行时间,但是却牺牲了跟踪精度;加加速度规划因为曲线高阶导数连续的特性具有最好的跟踪精度,运行时间却是最长的;传统的三次多项式规划运行时间和跟踪精度都是介于两者之间,没有突出的优异性。在论文中使用Matlab软件对三种方法进行仿真,并在试验平台上验证了轨迹规划得到的曲线,是用c语言编写实现机器人的实际控制。三种轨迹规划方法都用了基于模型的力矩控制算法,它的稳定性也在文中被证明。

关键词： 空间柔性双臂机器人   动力学建模   振动抑制   鲁棒控制   模糊自适应控制   奇异摄动  

摘要： 近年来,空间柔性双臂机器人的研究受到了广泛的关注。由于柔性机械臂在运动中会发生变形和振动,同时考虑空间机器人在空间存在着很强的外界干扰和系统建模误差,这给空间柔性机器人的定位和跟踪控制带来了很多的问题。因此,针对自由浮动空间柔性双臂机器人动力学系统的振动和鲁棒性问题,本文进行了深入的研究,并进行了仿真实验论证。 本文首先基于假设模态法、拉格朗日方程和动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学模型,并考虑系统存在建模误差情况下利用计算力矩法实现了末端执行器的轨迹跟踪。针对柔性机械臂的弹性振动和系统鲁棒性问题,采用一种基于Lyapunov第二法的鲁棒跟踪控制和二次型最优混合控制方法,实现自由浮动空间柔性双臂机器人在轨迹跟踪中的振动主动控制,并通过仿真实验证明了该方法的有效性。 其次,对于机械臂与刚性负载组成的闭链系统,本文采用一种基于TSK模糊模型的自适应控制和模态力混合控制方法,实现刚性负载的动力学轨迹跟踪的振动控制。此方法在有建模误差和干扰时,仍能使负载较好地跟踪期望轨迹,并具有较好的振动抑制效果。 然后,针对系统在运动中仍存在较大的柔性振动,采用奇异摄动方法将自由浮动空间柔性双臂机器人开链和闭链系统都分别分解为慢变与快变两个子系统,并考虑系统存在建模误差和外界干扰情况时,分别对其进行轨迹跟踪控制和振动控制,改善鲁棒和振动抑制效果。 最后,为了形象地说明空间柔性双臂机器人系统各部分的运动情景,开发了基于MATLAB的可视化仿真平台和基于OpenGL的可视化仿真平台并进行了仿真验证。