关键词： 中国   青少年   机器人   竞赛   广西   代表团   参赛队   竞技   冠军   成绩  

摘要： 不久前，广西青少年机器人竞赛的冠军们代表广西出征中国青少年机器人竞赛，全国共有497支参赛队同台竞技。经过激烈角逐，广西代表团取得了6金4银8铜的好成绩。

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： 蛇形机器人   运动学   动力学   鲁棒控制   样机实验  

摘要： 本课题利用蛇形机器人作为桥梁缆索检测的移动平台,在它上面搭载各种传感器如摄像头、霍尔传感器等对桥梁缆索进行检测,以对桥梁缆索的健康状况进行监测。为此,本文研制出正交关节连接的蛇形机器人并进行运动学与动力学分析,此外还对蛇形机器人的鲁棒轨迹跟踪控制进行了研究,设计出控制器。本文的主要内容为:(1)蛇形机器人样机系统设计本文采用模块化的设计思想对蛇形机器人的关节模块进行机械设计,包括超大扭矩舵机选型、U型连杆与凸字后盖的设计、外皮与电池设计、连接方式设计等。此外,还对蛇形机器人的通信系统进行设计,以及对嵌入式控制器进行架构设计与核心芯片选型,从根本上保证了所设计的蛇形机器人样机性能的可靠性。(2)正交连接的蛇形机器人运动学分析本文选择基于旋量理论的指数积公式法对蛇形机器人进行运动学建模,研究了D-H方法与旋量理论在运动学建模上的内部联系。针对蛇形机器人的运动学逆解问题,提出运用改进的遗传模拟退火算法对其逆运动学进行求解,在matlab仿真环境下编写了算法程序对蛇形机器人逆运动学进行求解,验证了算法的可行性。(3)蛇形机器人的动力学分析与鲁棒轨迹跟踪控制器的设计本文在对各种机器人动力学分析方法进行比较的基础上,选择了拉格朗日方法对蛇形机器人进行动力学建模,并利用多体系统动力学仿真软件ADAMS建立蛇形机器人的三维立体仿真模型,对其进行动力学仿真与实验数据的分析。本文还针对蛇形机器人的轨迹跟踪控制进行研究,采用鲁棒方法设计了鲁棒轨迹跟踪控制器,利用matlab/Simulink进行了仿真验证。(4)蛇形机器人样机实验本文对蛇形机器人样机的蜿蜒运动、行波运动、U型翻滚运动、螺旋攀爬运动等主要运动进行验证,为以后蛇形机器人的改进与完善提供实验数据。

关键词： Apoptosis   Automation   Detection   Robotic platform   TUNEL  

摘要： The manual TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end-labeling) method for detecting deoxyribonucleic acid (DNA) fragmentation during apoptosis is widely used to determine cell death in tissue sections. However, manually staining large numbers of slides is cumbersome and may result in inconsistent signal intensities. We have developed a simple automated TUNEL assay using a robotic platform and a popular apoptosis detection kit. Comparing manual and automatic staining methods of serially sectioned murine tissue blocks showed no differences in quality or quantity of signal. The automated TUNEL assay allows larger throughput and provides consistent results across many tissue types.

关键词： 制造业   机器人学   三大法则   小说作家   生产与生活   伤害   命令   科幻   出版   保护  

摘要： 第一法则:机器人不得伤害人类,或坐视人类受到伤害;第二法则:除非违背第一法则,机器人必须服从人类的命令;第三法则:在不违背第一及第二法则下,机器人必须保护自己.这是知名科幻小说作家阿西莫夫在《我,机器人》这本小说的引言中写的内容.小说出版于上世纪50年代末.60多年过去,这个名为《机器人学的三大法则》的引言仍然被人津津乐道,最近甚至更频繁地被引用.因为,越来越多的机器人正在走入生产与生活,兴奋混合着担心,让人不断地想起阿西莫夫的这段名言.

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： 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： 多机器人系统   绳牵引   建模   仿真  

摘要： 多机器人系统和绳牵引并联机器人是机器人领域两个前沿课题。由于多机器人系统具有能完成复杂任务、提高工作效率、分布式、经济性好、灵活性好等特点,近年来得到了快速发展。绳牵引并联机器人是由并联机器人发展而来的,因此,它不仅具有并联机器人的特点,如高刚度、高精度、灵活性好、承载能力强等特点;而且有绳索驱动的优点,如质量轻、构造简单、传动速率快和工作空间大等特点。它的诸多优点决定了它在许多领域都有应用价值。本文研究的系统是将多机器人系统和绳牵引并联机器人有机地结合起来,形成了一个具有前两者一些特点的新系统—多机器人并联绳牵引系统,构成了一个新的研究方向。因此,对其进行研究具有较大的理论意义和实用价值。首先,对于多台机器人通过绳索协同牵引负载的并联系统,考虑了每个机器人与绳索的连接点具有任意移动的3个平动自由度的一般性情况。本文对此系统建立了广义性的运动学方程,并分别利用牛顿—欧拉方程和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。然后根据机器人、绳索、负载三者之间的关系,分成了三大类问题,从方程是否有解的角度,分别对各类问题下解的情况进行了分析。再从实际应用角度,讨论了各种情况下解的处理方法。对于无解或无穷解时,提出了解决方法。对于有解时,提出了舍去不符合设计要求的解的方法。如果还存在多组解,提出了一个寻找最优解的方法。最后举例仿真验证系统的运动学和动力学模型并说明了求解的方法。其次,对于多机器人绳牵引负载的欠约束系统,由于不满足力封闭条件,同时方程组一般不相容,因此无法求出准确的工作空间。本文分成了静平衡工作空间和动力学工作空间两大类进行研究。对于静平衡工作空间,先建立了系统的静平衡方程,然后提出利用最小二乘法原理结合蒙特?卡罗方法,对负载低速或准静态运动时,能够快速求出其近似静平衡工作空间,并分别利用法方程和QR分解给出了绳拉力的表达式。在机器人的位置和负载的位姿不发生力旋量失效的情况下,其有唯一的最小二乘解。最后通过仿真验证了该方法的有效性,利用该方法可快捷地求出不同空间构型的欠约束绳牵引系统的静平衡工作空间。对于动力学工作空间,结合Farkas和Stiemke引理,将工作空间的求解转换成了是否存在超平面的问题,最后结合蒙特?卡罗方法仿真验证了负载的加速度对动力学工作空间的影响不大。再次,开展了对绳拉力优化的研究。通过对系统运动学、动力学方程的分析,在逆问题中,将其转换成了非线性规划问题,通过求取最优解,可以得到满足要求的绳的最低解和最高解,而最优解是介于两者之间,通过线性插值来表示。在特殊情况中,采取利用最小二乘法可以得到唯一的最小二乘解,作为最优解近似判断是否满足拉力要求。最后分别举例仿真得到了拉力优化图。最后,在上述理论的基础上,搭建了满足实验要求的实验平台,进行了轨迹规划实验,验证了模型的正确性。

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。

摘要： Soft robotics is an emerging discipline that employs soft flexible materials such as fluids, gels and elastomers in order to enhance the use of robotics in healthcare applications. Compared to their rigid counterparts, soft robotic systems have flexible and rheological properties that are closely related to biological systems, thus allowing the development of adaptive and flexible interactions with complex dynamic environments. With new technologies arising in bioengineering, the integration of living cells into soft robotic systems offers the possibility of accomplishing multiple complex functions such as sensing and actuating upon external stimuli. These emerging bio-hybrid systems are showing promising outcomes and opening up new avenues in the field of soft robotics for applications in healthcare and other fields.