关键词： 双臂救援机器人   机械臂   多刚体系统传递矩阵法   动力学建模  

摘要： 随着科学技术的不断发展,为了完成更为复杂的救援任务,双臂救援机器人应运而生,它不仅可以增强机器人对复杂任务的适应性,同时也提高了工作空间的利用率。双臂救援机器人是一个极其复杂的系统,是由多个机械臂连杆及关节串联组成,并且机械臂与移动车体、机械臂各连杆及关节之间均存在着复杂的力学耦合关系,针对其动力学的研究将尤为重要,因此本文采用多体系统离散时间传递矩阵法对其进行动力学的建模与分析。本文的研究内容主要包括以下几个部分:首先,根据救援机器人机械臂的功能需求确定了机械臂的自由度数目以及关节的运动形式,并进一步对救援机器人机械臂的驱动方式、传动方式的选择等方面进行了详细地分析,完成了机械臂的整体结构设计。其次,采用多体系统离散时间传递矩阵与现代逐步时间积分思想相结合的方法,针对双臂救援机器人的结构特点,利用空间运动的刚体数学模型原理,推得双臂救援机器人的移动车体及机械臂各部件的传递矩阵,分别建立了开环双臂救援机器人系统以及闭环双臂救援机器人系统的整体动力学方程和总传递矩阵。并应用D-H坐标系法建立了机器人双机械臂的运动学模型,对传递矩阵法模型进行了验证。然后利用MATLAB软件对开环系统的模型进行计算与仿真,得到了位移,角位移,力以及力矩关于时间的曲线图。通过对仿真结果的分析,该模型能够有效的满足实时动态仿真的需要,并为后期控制系统的建立提供了重要的理论依据。最后,分析了双臂救援机器人机械臂的救援运动,将运动路径进行划分。详细研究了机械臂的几种关节空间的轨迹规划方法。并在理想情况下,对两条机械臂中的主臂进行关节空间的三段三次多项式插值函数的轨迹规划。利用MATLAB软件进行数值仿真实验,得到了角位移,角速度以及角加速度的变化规律曲线图,验证了机械臂的运动轨迹的连续性与平稳性。

关键词： 多连杆柔性关节机器人   凯恩方法   反演方法   神经网络   自适应控制   动态面控制  

摘要： 随着机器人的应用领域日益扩大,许多行业对机器人的控制精度与性能要求也越来越高。大量实验与研究表明,关节柔性是制约机器人高精度控制的关键因素,而精确的动力学模型是实现机器人高精度控制的基础。因此,研究柔性关节机器人的动力学与控制算法具有非常重要的意义。本文以多连杆柔性关节机器人为研究对象,以其动力学模型为基础,递进地研究了几种高精度控制算法。首先在Spong假设的基础上,运用凯恩方法建立了传动比不为1的多连杆柔性关节机器人的动力学方程,并在Adams中运用速比折合的方法建立了虚拟样机模型,从而为多连杆柔性关节机器人的控制提供了依据。其次,为了消除对关节柔性大小的限制以及加速度反馈信息的需要,对反演控制算法进行了研究。在动力学模型精确已知的情况下,充分利用动力学性质设计了基本反演控制算法。在动力学模型未知或不精确的情况下,设计了一种新型神经网络自适应反演控制算法。该算法将系统非线性未知项与已知项分开并利用径向基神经网络在线逼近非线性未知项,并根据李亚普诺夫函数设计控制律与参数自适应律,从而实现多连杆柔性关节机器人的关节轨迹跟踪控制。然后,为了消除反演控制过程中“微分爆炸”现象,对动态面控制算法进行了研究。在动力学模型精确已知的情况下,以基本反演方法为基础,设计了基本动态面控制算法。在动力学模型未知或不精确的情况下,提出了一种无需神经网络的自适应动态面控制算法。该算法将模型未知项表示成惯性参数的线性形式并对这些惯性参数进行估计,同时利用动态面方法引入一阶滤波器消除高阶微分项,并根据李亚普诺夫函数稳定性设计这些惯性参数的自适应律,从而实现多连杆柔性关节机器人的关节轨迹跟踪控制。最后,运用Adams进行柔性关节机器人的动力学仿真,仿真结果证明了所建的凯恩动力学方程的正确性;运用S函数在Matlab的Simulink模块中构造控制系统并进行以上所提控制算法的仿真,仿真结果证明了所提控制算法的有效性;运用Matlab与Adams进行联合仿真,证明了反演法可用于实际控制,并具有很好的控制效果。

关键词： 科学   中小学生   江苏   地区   凤凰   机器人   金钥匙  

关键词： 岩孔检测机器人   预紧变径机构   动力学分析   试验研究  

摘要： 随着人类社会的发展和科学技术的进步,我国基础工程建设和自然资源开发正在以前所未有的速度蓬勃发展,出现了大量的深部巷道和隧洞。由于对深部巷道和隧洞开发技术不够成熟,近年来出现了大量岩爆事件,因此设计研发动力灾害物理模拟试验系统势在必行。本课题研究的小型岩孔检测机器人是动力灾害物理模拟试验系统中监测和测试系统的主要部分,通过对岩孔内破裂面演化和微破变演化信息的反馈,完成对开挖岩孔的检测任务。本文首先对国内外管道检测机器人技术和管道检测方法的研究现状进行了综述,综合国内外相关科研成果以及技术手段,结合课题要求,提出了小型岩孔检测机器人的整体设计方案,包括机器人系统方案选择、系统组成与功能确定以及机器人本体结构方案的选择与设计,通过求解力学特性方程的方式对预紧变径机构进行了详细分析,并对驱动电机进行了计算选型。其次,对预紧变径机构进行了分析与设计,包括结构设计、死点分析、运动学建模、支撑力分析和变径范围分析。利用ANSYS软件对电机连接轴进行了预应力模态分析。利用ADAMS软件对弹簧预紧变径机构进行了仿真研究,包括变径范围仿真、弹簧形变量仿真以及轮腿关节仿真。分析结果表明:电机连接轴和预紧变径机构的设计均符合技术要求。然后,对实际工作过程中的机器人进行了整体动力学分析,包括线缆拖动力计算、牵引力分析、姿态角分析、爬坡分析和越障分析,并根据受限力学理论对小型岩孔检测机器人在岩孔内移动的稳定性进行了分析。分析结果表明:驱动电机能够提供机器人运动所需的动力且机器人在岩孔内运动稳定。最后,对机器人的控制系统进行了设计,包括上位机系统和下位机系统的联合设计。对试验样机进行了性能测试试验,包括密封试验、行走速度测试试验、牵引能力测试试验等,验证了前面理论分析的正确性,对小型岩孔检测机器人的进一步研究和优化具有重要的参考作用。

关键词： 轮履复合式   机器人移动平台   转向   越障   运动学   动力学   仿真  

摘要： 搜救机器人是能在复杂多变的、不可预测的非结构环境下执行探测、勘查、搜救等作业任务的机器人,而移动平台作为搜救机器人的主体,是机器人行走系统和工作系统的执行部件。本文提出了一种轮履复合式机器人移动平台,并对其进行运动学和动力学研究,为搜救机器人的设计提供一个性能良好的移动平台模型,使其能够适应复杂多变的环境。首先,通过对现有常用搜救机器人移动方式的对比,分析其优缺点,采用轮履复合结构作为研究对象。对移动平台进行了总体设计,在移动平台主车体的基础上增加了四个摆臂和四个车轮,采用了轮履复合的操作方式,对主要构件进行参数设计,并用Pro/E对主要的零部件进行设计、装配。其次,对机器人移动平台进行运动学和动力学分析,采用理论分析的方法,建立不用类型运动方式的运动学和动力学模型,对移动平台直线、转向、爬坡、越沟、攀越台阶和自复位等运动进行分析;并重点分析了移动平台的直线运动和受力、转向半径和转向避障半径、爬坡运动倾覆的临界值、攀越台阶过程的受力等性能参数,为其结构设计提供了理论参考。最后,通过运用虚拟样机ADAMS软件,对机器人移动平台模型进行不同运动方式的仿真,验证移动平台结构设计和理论分析的合理性。本文的研究,为搜救机器人移动平台的转向、爬坡、越障和自复位等运动提供一定的理论基础,为搜救机器人移动平台设计提供了理论参考和技术支持。

关键词： 绳索牵引并联机器人   动态轨迹规划   S型-梯形组合规划方法   刚度   动力学控制  

摘要： 为了克服传统并联机器人工作空间小和机械结构复杂的缺陷,利用绳索代替连杆设计一种结构相对简单的新型绳索牵引并联机器人,这种绳索牵引并联机器人具有质量小、成本低、工作空间大等优点,但是将绳索用于并联机器人,给并联机器人的研究带来了新的挑战。由于绳索具有单向力特性,只能产生拉力,不能产生压力,对绳索牵引并联机器人的分析变得更加复杂。所以本文针对绳索牵引并联机器人的动态轨迹规划、刚度性能和动力学控制进行了研究,具体研究内容如下：(1)由于运动中需要保持绳索拉力大于零,传统的机器人轨迹规划方法不可以直接应用于绳索牵引并联机器人。为此,本文根据2根绳索牵引的2自由度并联机器人的动力学模型,推导绳索拉力的单向力约束条件,并提出一种新的动态点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法,采用动态的轨迹规划方法将静态工作空间扩展为了动态工作空间,从而增大了机器入的运动范围。此外,在2-2绳索牵引并联机器人平台上进行了Matlab仿真实验,验证了S型-梯形组合规划方法的可行性。(2)由于绳索牵引并联机器人的刚度偏小,分析绳索机构的刚度具有重要意义。较好的轨迹规划方法可以提高并联机器人的刚度性能,因此,本文研究了6根绳索牵引的6自由度并联机器人的刚度性能,根据机器人的动力学模型计算了刚度矩阵,并分别以S型速度曲线、三角函数、五次多项式的方法规划了点到点的直线运动轨迹和正弦运动轨迹,分析了三种轨迹规划方法的加速度特性对绳索牵引并联机器人刚度性能的影响。(3)本文针对8根绳索牵引的6自由度并联机器人建立了工作空间和关节空间的动力学模型,计算了绳索内力,并设计了PD控制律。最后在实验平台上进行了动力学控制实验,并给出了两组实验结果,有效地验证了绳索牵引并联机器人的动力学控制方法。此外,本文设计并给出了8-6绳索牵引并联机器人的动力学控制软件。

关键词： 管道机器人   变径管道   弯管道   通过性   虚拟样机  

摘要： 随着工业生产发展的脚步迅猛加速,管道在工业生产乃至人们生活中都是不可缺少的一部分。管道作为一种物料运输的手段,不仅具有高效性和安全性而且可以在生产中节省成本。随着管道使用年限的增加,管道将会出现腐蚀老化的等问题,那么就要对管道进行维修与维护,由于管道的几何形态的限制,以及安装空间的特殊性,人工作业不但十分的困难,而且存在一定的危险性,这就需要借助管道机器人来完成人工不可触及的工作。管道机器人属于特种机器人范畴,是当前乃至未来机器人发展的重要分支,研究价值及其应用前景十分广阔。本文提出的双向折腰式管道机器人,是一种主要针对圆形风管清扫作业的机器人。文章主要从各种管道机器人国内外的发展状况出发,总结当前管道机器人的设计形式,参考产品的功能性需求,提出了双折腰式管道机器人整体机构,并对其可行性做相关的理论研究及验证。对双向折腰式管道机器人从运动条件入手,对机器人行走方式的选择、行走机构的选择、驱动装置的选择等进行了阐述。设计了空间绕中心轴线程120°圆形阵列分布的轮腿式行走机构,机器人单元体前后两组轮腿,且每只轮腿单元都采用独立驱动,轮腿法向具有可调节的能力,以适应变径管道以及弯管道。文中对双向折腰式管道机器人进行了位姿描述,并建立了相关的运动学数学模型。通过数学模型,研究了机器人单元体不同姿态下在不同形式管道内部行走的可行性。将双向折腰式管道机器人视作多刚体系统,建立基于拉格朗日方法的动力学模型,并建立了双向折腰式管道机器人虚拟样机模型,应用ADAMS软件对双向折腰式管道机器人进行运动仿真分析,通过分析,得到机器人的最佳过弯姿态,以及行走轮与管壁之间接触力的变化规律,对管道机器人运动过程需要实现的功能进行验证。虚拟样机的仿真分析得出的结果与理论计算基本相同,其结果完全可以为双向折腰式管道机器人的研究提出理论依据。

关键词： 中职   机器人技能竞赛   教学方法   技能水平  

摘要： "普通教育有高考,职业教育有技能大赛",技能大赛对中等职业学校的专业建设起着了重要作用。机器人技能竞赛是一个跨专业、高度综合的高科技对抗赛,如何在专业课中开展教学,培养学生学习兴趣,提高学生的动手能力等问题,使学生在学习中能够充分发挥主体作用,促进其全面发展呢。

关键词： 球面并联机构   旋量键合图   动力学建模   参数辨识  

摘要： 球面2-DOF过约束并联机器人,具有承载能力与刚度高、工作空间内奇异少等优点,可以应用于球面上点的定位设备,具有重要的应用前景。本文以此并联机器人为研究对象,从多能域动力学建模、动力学参数辨识及实验等几个方面展开研究,主要研究内容如下:建立了球面2-DOF过约束并联机器人的反解模型,速度雅可比矩阵,以及每个连杆与末端执行器的速度、加速度映射模型。采用旋量键合图建立了球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统的动力学模型,所建动力学模型只有36个方程,但是由于该机构同时存在被动过约束和主动过约束,共有43个未知量需要求解,为此,针对被动过约束问题,通过分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;对于主动过约束问题,采用驱动力优化方法补充了1个方程,最终建立了该机器人完整的多能域动力学模型。并通过数值算例,验证该方法的可行性和合理性。建立了关于关键点的偏速度矩阵和等效力(力矩)矩阵,基于虚功原理,建立了球面2-DOF过约束并联机器人的动力学模型,并将其线性化处理得到关于动力学参数的线性化模型;依据该机器人的运动约束条件,以观测矩阵条件数最小为目标,对改进五次多项式的傅立叶级数进行优化并得到优化的激励轨迹;最后给出了辨识流程。设计加工了球面2-DOF过约束并联机器人样机,开发了其控制系统;并在此基础之上,进行了动力学参数辨识实验,得到了动力学参数的辨识结果,最后,利用任意轨迹对实验结果进行了验证。

关键词： 机器人   人工智能   机器人学  

摘要： 救援机器人按类别属特种机器人,应用场景固定。我国在"十一五"期间,已经将"废墟搜索与辅助救援机器人"项目列入国家863重点项目,由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合承担研制,并成功研制出"废墟可变形搜救机器人、机器人化生命探测仪、旋翼无人机"三款机器人。