关键词： 工业机器人   动力学模型   模型辨识   碰撞检测  

摘要： 随着工业机器人的应用领域不断增长,人机共享同一空间的工作方式可以提高工作效率。为保证人机协作的安全,碰撞检测技术成为了人机协作领域中的重要研究方向。实现碰撞检测通常需要机器人具备一定的外力感知能力,然而工业机器人内部通常没有集成力矩传感器,使得机器人关节对外部作用力的感知能力较弱。由于外部传感器的成本普遍较高,且安装额外传感器可能会增加控制系统的复杂性,因此,通过分析机器人关节受力情况建立动力学模型代替力矩传感器计算外部碰撞力是实现碰撞检测的基础。本文以六自由度串联型工业机器人为研究对象,从动力学建模、模型参数辨识以及碰撞检测三方面展开研究。首先基于牛顿-欧拉迭代法分析运动过程中关节所受的力/力矩,通过关节坐标系进行推导建立机器人的动力学模型;将动力学模型线性化并基于QR分解得到最小可辨识参数集;其次基于有限傅里叶级数构造机器人的激励轨迹,以最小化观测矩阵的条件数为优化准则进行轨迹系数优化。对采样数据进行滤波处理以提高信噪比,最后基于最小二乘法对动力学模型的最小参数集进行辨识,并通过实验验证参数辨识值的精度。为了提高模型的力矩估计精度,本文通过改进摩擦模型以及考虑机器人结构的非线性特性等因素建立了一个较为完整的动力学模型,并将模型辨识分为参数和非参数两部分。对于可辨识的惯性、摩擦等参数,针对最小二乘法对数据噪声以及离群值敏感的问题,提出了一种基于迭代优化算法的辨识框架,引入噪声方差矩阵以及离群值权重矩阵。在参数辨识过程中通过对噪声方差矩阵、离群值权重矩阵以及改进的摩擦参数进行迭代优化,并设置合适的停机准则使迭代收敛,从而提高参数的辨识精度。对于机器人结构的非线性特性等因素产生的补偿力矩,提出了一种基于LSTM的补偿力矩估计模型,通过训练网络参数建立从关节运动到关节补偿力矩的映射关系,完成关节补偿力矩的隐式建模。为了使补偿力矩模型能学习到不同运动过程中的力矩变化特点,使用多组不同的运动轨迹数据训练模型,从而提高模型的估计精度和鲁棒性。在工业机器人各关节只有单编码器的情况下,提出一种免外部传感器的机器人碰撞检测与安全响应方法。针对机器人关节对外部碰撞力感知弱的问题,设计了一种关节外力矩观测器,该观测器结合扰动原理和广义动量建立机器人状态空间方程,并基于卡尔曼滤波算法实现对碰撞力矩的观测。设计了一种随关节速度变化的碰撞阈值,结合外力矩观测器的输出实现工业机器人的碰撞检测。为了减少碰撞后可能造成的二次伤害,设计了一种基于导纳控制的安全响应策略,在碰撞发生后将碰撞力转化为位置指令,驱动机器人关节运动远离碰撞点,从而实现碰撞后的安全响应。以六自由度工业机器人为实验平台,分别对机器人的动力学模型和碰撞检测方法进行实验验证。基于所提的方法,得到了完整的机器人动力学参数和补偿力矩估计模型,通过对比模型的预测驱动力矩与实际驱动力矩来验证方法的精度,实验结果显示所提的方法在关节驱动力矩的估计中具有更小的误差,证明了所提方法的优越性。基于已辨识的动力学模型,进行机器人的碰撞检测与安全响应实验,实验结果显示所提方法能提高碰撞检测灵敏度并实现安全响应控制,验证了方法的有效性。

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： Handling Robot   Kinematics Modeling   Dynamics Modeling   Dynamics Simulation   Modal Analysis  

摘要： The nickel anode plate handling robot is a typical industrial robot because of its large working range,flexible movement,compact structure,and ability to grab objects close to the machine *** to the structural characteristics of the nickel anode plate handling robot,the 3D model of the handling robot was drawn using Solid Works 3D design *** dynamic model of the nickel anode plate handling robot was established and *** on the ADAMS simulation software,the simulation model of the robot is constructed,the dynamic simulation is carried out,and the force curve of the joint is *** lays the foundation for optimizing the structure design and control system design of the handling *** purpose is to directly transport the nickel anode plate to the destination to truly realize the purpose of delivering goods to people;thus,this type of handling robot is *** Works and Workbench software are used to establish a 3D model and finite element model,carry out a detailed design of the nickel anode plate handling robot,carry out modal analysis on the main structure of the robot,and analyze its external excitation *** mounting plate of the lifting mechanism on both sides was the main factor affecting the dynamic characteristics,and the designed handling structure would not resonate due to external *** the overall structure of the handling robot is novel,and the design is reasonable,which can realize the handling of nickel anode plates and has high application *** thesis has carried out many aspects of research on the palletizing and handling robot and completed the research on the mechanical structure design,kinematics modeling,dynamics modeling,motion simulation,and modal analysis of the nickel anode plate handling *** include the following:The handling robot is introduced,and the domestic and foreign research status of handling robots is *** to the actual production lin

关键词： 协作机器人   动力学模型   参数辨识   阻抗控制  

摘要： 工业机器人正朝着更简易、更灵活、更高效安全的方向发展,协作机器人被提出并正在成为自动化的新方向。为了保障人机安全,特别是在装配、抛光以及医疗护理等与人交互的任务中,机器人能顺应外界环境力的要求已经成为现代机器人控制上的必不可少的一环。因为柔顺控制中需要对位置和力矩进行协同控制,所以必须对机器人建立动力学模型以实现高效精确的力/位控制。本文完成基于动力学模型参数辨识来实现机器人末端顺从外界力的柔顺控制方法研究,主要内容有:首先,对本文的实验载体Panda3机器人进行运动学和动力学分析,提出了一种基于改进的遗传算法的动力学辨识方法。在运动学方面,使用MDH建模方法完成正运动学,借助该机器人第二、第三和第四轴满足Pieper准则来推导了其逆运动学的封闭解;在动力学方面,使用牛顿-欧拉法建立其理想的数学模型,推导了动力学的参数惯性集并将其线性化,并完成激励轨迹的设计。最后设计了相关实验并验证其有效性。其次,研究了阻抗控制。提出了不同的控制方式和控制空间下未装设力传感器的解决方法。分析并推导了基于力矩和基于位置的阻抗控制的方法之间的异同。针对基于力矩的阻抗控制对比了在笛卡尔空间的控制和在关节空间下控制的不同影响,然后对这三种控制通过Matlab仿真进行了对比验证,实验仿真表明所设计的控制器在外力的作用下有一定的顺从作用。再次,提前使用MuJoCo平台对现有Panda3机器人完成虚拟测试和早期验证,提出了一种改进的粒子群算法来求解最优阻抗参数。借助MuJoCo平台对Panda3经行仿真建模,建立一个接近实际的仿真平台,来研究了阻抗控制中未知环境的交互难题,并针对平面任务轨迹受刚度环境力和斜向任务轨迹受刚度环境力进行了仿真验证。最后,通过前述完成对实验室现有的6轴机器人Panda3动力学参数辨识后,对所提出的阻抗方法设计了相关实验,验证其有效性。

关键词： 新工科   工工交叉   专业群   课程群  

摘要： 针对新工科背景下企业对人才的需求产生变化，现有的培养体系无法适应的问题，北京联合大学机器人学院实施以跨学科工工交叉专业群建设作为新工科教育的组织模式，进行多学科交叉融合的专业群建设，使各专业在保留、发展各自特色的同时又可以相互支撑、相互渗透。通过研究与实践，建立起专业设置合理、运行管理高效的专业群，以及与之相适应的课程群体系、教学队伍、工程实践条件、教学组织模式和管理运行机制，形成具有地方高校特色的新工科人才培养模式。

关键词： 三维测量   面结构光   机器人学   视点规划   钣金件   特征孔  

摘要： 钣金件是航空航天和汽车制造领域中的重要零件,其形面与特征孔尺寸精度直接影响零部件成型质量。目前,基于结构光与机器人的自动化三维测量技术已被广泛应用于钣金件产线中,实现对三维尺寸的精确检测。其中,为保证测量自动化,需应用视点规划技术生成机器人测量视点与路径。但受结构光成像模型复杂、特征孔测量规律不明确等因素影响,仿真预测数据与实际测量结果不符,难以精准评判视点测量质量。此外,由于优化问题时间复杂度高,在有限时间内难以得到最优的规划结果,无法保证测量效率。为解决上述问题,本文展开了以下研究:(1)视点生成与评价方法。首先根据钣金件模型生成候选视点及其对应的机器人位姿;接着根据相机-投影仪光学成像原理构建测量可见性评价模型,根据钣金件特征孔最佳测量范围构建圆孔测量质量评价模型;最后生成视点间机器人运动轨迹,并建立视点图数据结构实现视点与轨迹的存储。通过实验验证了视点质量评价模型的准确性,并探究了特征孔的最佳测量范围。(2)视点优化与路径规划方法。将视点优化与路径规划组合成决策优化问题,采用马尔科夫决策过程对优化问题建模,定义了优化问题的状态及其转移,并将优化目标拆分到每个状态的价值函数中;完成建模后,采用蒙特卡洛树搜索法进行迭代求解,通过构建搜索树与搜索策略,生成测量成本全局最优的视点序列。实验表明,本文的视点与路径优化方法相较传统方法,对测量效率可提升10%～15%。(3)视点规划系统开发与测试。本文搭建了视点规划与测量的软硬件平台,并针对测量过程中钣金件容易出现位姿偏差的问题,提出了基于三维识别的实际位姿计算方法,实现对视点和钣金件的位姿校准。最后设计实验对该系统的性能进行验证与评估,实验结果表明本文提出的视点规划与测量系统可有效测量存在位姿偏差的钣金件,并且测量完整性和钣金件特征孔轮廓重建精度满足要求。

关键词： Multipurpose robots  

摘要： Multi-robot coordinated towing system is an under-constrained system. The dynamic response of the towing system can not be fully controlled since the rope can only provide a unidirectional constraint force to the suspended object. Based on the kinematics of the multi-robot coordinated towing system with fixed-base, the Newton-Euler equations and Udwadia-Kalaba equations were used to establish the dynamics of the towing system. To obtain the motion trajectories with high stability and strong control, the motion trajectories of the towing system were optimized. During the towing, the transition from the relaxation state to the tension state of the rope was treated as a collision between the suspended object and the robot end. The trajectories of the towing system in terms of a single-variable and multiple-variable were solved, respectively. The simulation shows that the optimized trajectories are closer to reality and truly reflect the constraints of the ropes on the suspended object. The research results provide a basis for trajectory planning and control of the towing system. © 2023, Shanghai Jiao Tong University.

关键词： 轮腿四足移动机器人   运动学分析   动力学分析   运动规划   仿生跳跃  

摘要： 轮腿复合移动机器人既可以采用轮式进行高速平稳的运动,又可以采用腿式实现灵活轻巧的越障,具有较强的环境适应能力和运动灵活性,能解决单一形态的机器人面对复杂环境的适应能力不足的问题。本文提出了一款多运动模态轮腿分离四足移动机器人,这款机器人拥有轮式、腿式和轮腿复合式多种运动模态,具备较强的地形适应能力和全地形高效通过能力,可以代替人类进危险区域完成探测救援等多种任务。主要研究内容如下:分析了现有轮腿复合机器人的不同轮腿结合方式及其优缺点,确定机器人的整体采用轮腿分离式结构设计。通过对四足哺乳动物单腿进行分析,完成机器人的3自由度单腿机构设计。完成机器人轮模块的车轮升降机构、前轮转向机构和后轮驱动机构的结构设计,并分析了其运动机理。分析了轮腿复合机器人的多种拓扑结构形式,确定了机器人机身和单腿之间采用前膝后肘的结合方式,并且通过计算验证了机器人机身的自由度满足运动要求。在此基础上,完成了多运动模态轮腿分离四足移动机器人的整机结构设计。建立了机器人机械腿机构的位置正反解模型,分析了机械腿机构驱动关节和足端点的速度和加速度关系。基于拉格朗日法建立了机器人机械腿机构包含所有杆件在内的完整动力学模型。采用蒙特卡洛法绘制了机械腿机构的工作空间图。对该机械腿机构进行运动学和动力学仿真,验证了理论模型的准确性。建立了机器人在腿运动模态的整机运动学和动力学模型,提出了机器人最小驱动力矩的足端力分配算法。分析了机器人腿运动模态下静态和动态稳定性,在此基础上完成了机器人腿模态对角小跑步态规划和足端复合摆线轨迹规划。在Simulink中搭建了机器人腿运动模态的整机动力学控制系统,通过在Matlab和Webots软件中进行联合仿真,验证了机器人腿模态步态规划和动力学控制策略的可行性和运动过程的稳定性。对机器人轮运动模态下的转向机构分析,确定了转向角的极限范围。建立了机器人轮模态的运动学模型,在此基础上采用模型预测控制算法控制机器人在轮模态实现目标轨迹跟踪运动。为确保机器人轮腿运动模态之间切换过程平稳流畅,完成机器人轮腿模态切换过程的五次多项式轨迹规划。最后通过联合仿真中对机器人轮运动模态和轮腿转化的运动过程进行仿真分析。完成了多运动模态轮腿分离四足移动机器人的整机和单腿样机的研制。在此基础上开展了机器人单腿仿生跳跃和柔顺落地研究。提出了基于人体垂直跳跃规律的仿生跳跃和柔顺落地运动轨迹规划。通过分析机械腿内部各构件在跳跃过程中的动能变化和动量守恒现象,建立了精准的单腿跳跃高度计算模型。提出了机器人在不同运动阶段的单腿跳跃动力学模型,设计了足端力补偿轨迹跟随动力学控制策略。最后,进行了机器人单腿跳跃仿真研究和实验验证。实验结果表明,机器人单腿可以实现流畅稳定的单腿仿生跳跃运动,缓冲阶段的软着陆动作可以有效降低着陆冲击。

关键词： 工业机器人   动力学辨识   自适应控制   轨迹规划   碰撞检测  

摘要： 现代机器人的发展逐步走向了具有多种感知能力,且能适应多种作业环境的方向,在减少人工劳动,提高生产效率,节约能源消耗和保障人身安全等方面具有重要的发展意义。但在工业机器人的发展中仍存在一些问题,比如工作环境下动力学模型辨识不准确,导致关节控制不稳定以及在轨迹规划时未考虑能源消耗和人机协作中的碰撞问题。本文从工业机器人的底层算法框架出发,考虑现阶段工业机器人底层算法的精确度和鲁棒性以及控制策略智能化程度不高的问题,提出了一个基于数据驱动的工业机器人辨识与控制策略的算法框架研究。其主要贡献点如下:针对工业机器人动力学辨识中存在未建模项和系统干扰造成的精度问题,提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的工业机器人在线动力学辨识算法。结合机器人动力学的先验物理知识和潜在的候选模型构成字典函数,将机器人的非线性时变动力学变型为线性参数辨识问题,并采用递推的求解方式实现了动力学模型的在线辨识,最后通过预测工业机器人的力矩验证了该在线辨识方法的准确性。针对工业机器人动力学未建模项难以用显式函数描述的不确定性特性,提出了一种工业机器人的深度自适应控制算法。在上述辨识的模型的基础上使用深度神经网络对残差进行拟合,作为模型的补偿获得完整的动力学模型。随后根据李雅普诺夫第二定理证明了所提控制理论的收敛性,并依此设计了算法的自适应更新律。同时本文也在工业机器人平台上通过实验验证了所提算法的有效性。针对工业机器人由于轨迹设置不合理产生的能耗浪费问题,提出了一种基于强化学习的工业机器人节能轨迹规划算法。通过设计合适的奖励函数,并采用深度强化学习算法进行训练。在仿真环境训练时采用了域随机化的方法,增强了训练策略的效率和后续算法的迁移性。最后在工业机器人平台上通过三次多项式生成平滑的输出轨迹,并采用上述的深度自适应控制方法进行轨迹跟踪实验,验证了该轨迹规划算法的可行性与节能性。针对人机交互场景中的碰撞问题,提出了一种基于切换动量动力学辨识的工业机器人碰撞检测技术。将碰撞检测转化为切换系统辨识问题,并使用动量动力学避免了加速度信噪比小造成的检测不精确,并定量辨识出碰撞后的接触力。随后通过分类算法溯源定位碰撞发生的具体关节位置,便于碰撞后机器人的快速正确响应。该算法在仿真环境中进行训练和测试,迁移到自制工业机器人平台上进行了碰撞测试,测试结果显示了所提算法的可实际操作性。

关键词： 上肢康复机器人   改进粒子群算法   动力学模型   轨迹优化  

摘要： 在技术方面,近些年伴随着技术的飞速发展以及整个社会的需求,机器人已经快速进入生命科学领域。在市场需求方面,以脑卒中疾病为例,患者以约200万的数量逐年递增,其中上肢功能障碍的人居多,传统的康复治疗以康复医师辅助患者进行康复训练为主,但仅靠康复医师远远无法满足市场需求。在此背景下,上肢康复机器人受到了越来越广泛的关注。为了满足不同患病程度患者的需求,以及市场的推广,对康复机器人控制精度和稳定性要求也越来越高,这就要求上肢康复机器人动力学模型更加准确。另一方面上肢康复机器人是一种与人体手臂相适应的医疗器械,合理的轨迹规划可以保证康复训练的安全性和舒适性,也是应用于临床前的关键过程。 本文论述了康复机器人、参数辨识和轨迹优化的现状,以及未来的发展趋势。并以三自由度上肢康复机器人为研究对象,首先分析了上肢康复机器人结构和参数,基于D-H法建立了运动学模型,在MATLAB中完成运动学模型仿真验证和机器人运动空间仿真验证。基于拉格朗日法推导了动力学方程及其动力学模型线性形式,以傅里叶级数为基础,并对关节角度,速度,加速度进行限制,得到满足要求的激励轨迹,采用基于模拟退火的改进粒子群算法对轨迹系数进行优化,再通过递推最小二乘法得到动力学模型所需要辨识的参数,针对康复轨迹优化问题,基于康复机器人结构结合日常生活,设计康复训练轨迹,采用高次B样条曲线进行插值,同时将运动学约束转化为对各阶B样条曲线控制顶点的约束,减少了计算难度,并将传统罚函数和二次罚函数结合,以此解决运动学约束问题,采用改进粒子群方法结合加权系数法进行多目标寻优,得到了综合特性更好的训练轨迹,即在运动学约束条件下,得到的轨迹拟合曲线更光滑而且完成训练的时间更短。 最后通过实验对比基于优化前后轨迹得到的辨识参数相对应的预测力矩和实际力矩的残差均方根,结果表明本文方法可以得到比较准确的动力学模型。样机实验验证结果表明所优化的康复轨迹可以对上肢多关节进行空间复合运动,证明该方法可以用于康复运动轨迹的优化。