关键词： HDPE膜   并联机器人   旋量键合图   多能域动力学模型   刚柔耦合  

摘要： 目前,高密度聚乙烯膜(HDPE)被大量应用于垃圾填埋场、水库等防渗工程中,是主要防渗漏结构层的核心构成。但由于所处环境长期腐蚀性、高负荷等持续影响,HDPE膜极易出现破损,若不能及时修补,将会给周边环境及地下水带来极大威胁。为解决上述问题,本课题提出一种新型并联焊接机器人系统,其将并联机构和热熔焊技术有机结合起来。以此机器人系统为研究对象,从运动学、动力学建模、振动响应以及样机实验等角度进行研究,主要研究内容如下:设计HDPE膜焊接机器人系统方案并对其并联机构本体进行运动学分析。针对于运营中垃圾填埋场结构层构成,设计一种适用于上述环境的HDPE膜并联焊接机器人系统方案;建立方案中并联机构本体的运动学正反解模型,推导出后续动力学模型所需运动学参数;基于运动学逆解确定并联机构工作空间大小。构建并联焊接机器人机、电、热多能域耦合动力学模型。首先,利用键合图建立驱动电机和热风焊枪的键合图模型;其次,利用旋量键合图建立并联机构本体动力学模型,得到机电热多能域系统全解动力学模型;最后,给定焊缝执行轨迹,通过MATLAB状态方程求解、ADAMS动力学仿真及20-sim键合图仿真对多能域耦合动力学模型进行验证分析。考虑轻质杆件弹性变形,建立并联机构本体刚柔耦合动力学模型。针对柔性杆分布参数系统,基于假设模态法,定义模态矢量键合图,同时结合旋量键合图,构建柔性杆单元模块化键合图模型,得到刚柔耦合全局动力学模型,推导刚柔耦合状态方程;通过ADAMS对建立的刚柔耦合模型进行模态分析和强迫振动分析,获得其幅频特性、相频特性,验证刚柔耦合键合图模型仿真精度,并为后续开展振动分析提供理论参考依据。刚柔耦合并联机构系统振动仿真分析。首先,基于20-sim键合图仿真模型对电机控制系统参数整定,在频域里分别讨论控制子系统和机械子系统的耦合振动相互作用影响;其次,通过20-sim软件分析控制子系统和机械子系统耦合振动,选取合适控制器参数;最后,搭建实验平台进行运动轨迹跟踪控制实验研究。

关键词： 机器人  

ISBN: (纸本)9787502494261

摘要： 本书基于ROBOTAC机器人竞赛近8年的举办经验, 将有关组织工作进行规范化、标准化、流程化梳理, 列出了各部分工作具体目标、要求, 辅以丰富的执行表格、操作文档、思维导图等, 优化了竞赛组织的流程和人员配置, 使过程可考、可量化, 具有很强的指导性和操作性。本书通过实际操作案例, 对全国大学生机器人大赛的组织、裁判及相关技术保障工作进行详细阐述。

关键词： 水下捕捞机器人   水下捕捞机械臂   结构设计   静力学分析   水动力学分析  

摘要： 随着全面小康社会的到来,我国人民的物质生活得到了极大的改善,对海产品的需求日益增长。然而我国在海产品捕捞方面自动化水平低,捕捞方式主要依靠人力。水下环境危险多变,人工水下捕捞操作难度高,捕捞数量低,单次作业时长短,致使人工捕捞成本高。为改善目前的捕捞方式,本文设计了一款缆控式水下捕捞机器人,围绕着结构设计展开深入研究,通过仿真分析与下水试验对设计的合理性进行验证。内容主要包括:根据机器人的设计目标,对主体框架、控制舱、浮力舱、储物筐等主体的零部件进行结构设计,基于Ansys静态结构有限元分析对所设计的零部件进行强度刚度校核。确定机器人的供能方式、驱动方式、检测系统及控制方案。针对结构中的捕捞装置,细化设计了一款包括底座、大臂、小臂、机械手和捕捞爪在内的空间4+1自由度机械臂,通过有限元分析验证各零件设计的合理性。计算各关节所需要的驱动力,从而完成电动舵机的选择。通过代数法和几何法对所设计的机械臂进行正逆运动学分析,基于Robotics Toolbox仿真验证了机械臂正逆运动学分析的正确性。对水下捕捞机器人进行水动力学建模并简化水动力学模型。基于Fluent对机器人进行水动力学分析,算出机器人纵荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇五个自由度的阻力(矩)系数,进一步简化动力学模型。加入对垂纵耦合运动的分析,研究不同攻角间各项阻力(矩)的差异,通过阻力曲线以及多种云图观察到所设计的机器人结构水动力的特点。根据算出的每个自由度的最大水阻力(矩),选出推进器的规格。研制并装配出机器人实体,并完成下水运动试验。试验结果表明,水下捕捞机器人结构满足设计目标与要求,验证设计的合理性。

关键词： 动力学参数辨识   最优轨迹规划   学生心理优化算法   串联机器人  

摘要： 机器人在推进现代农业、服务业和工业转型升级的过程中起着日益重要的作用。绿色生产、降本增效是产业转型升级的核心诉求,机器人的运行时间和能耗与其高度相关。为提高工作效率,减少能量消耗,实现绿色资源节约型生产,需开展考虑动力学特性的轨迹优化,而精确的动力学模型是施加动力学约束、计算运行能耗的重要基础,但动力学参数获取困难,导致建立的动力学模型精度较低。针对轨迹优化过程中动力学约束不够准确的问题,本文以串联机器人为研究对象,进行动力学参数辨识,开展基于动力学的时间、能耗和冲击综合最优轨迹规划研究。 为提高动力学参数辨识精度,针对常见参数辨识算法在求解时变、非线性、强耦合的动力学系统时存在辨识效率较低、易陷入局部最优、初始化参数难确定等问题,在学生心理优化算法(SPBO)的基础上,提出改进学生心理优化算法(BSPBO),使用牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型,将CAD软件生成的动力学参数设为BSPBO算法的初始解,对线性动力学模型进行求解,并将辨识结果与其它六种启发式算法对比,结果表明:BSPBO算法有较强的全局寻优能力和较好的收敛精度,能更稳定高效地完成各关节动力学参数的辨识。 在获得精确动力学模型的基础上,研究了动力学约束准确与否对综合最优轨迹的影响。采用B样条曲线进行关节空间轨迹规划,分别使用CAD软件和辨识实验所得惯性参数生成动力学约束,建立最优轨迹规划数学模型,并使用BSPBO算法进行求解。将优化算法生成的最优轨迹输入MWorks仿真模型,验证优化算法的有效性;驱动实验平台跟踪经过仿真验证的最优轨迹,结果表明:施加准确的动力学约束可将轨迹运行时间缩短7.09%、运行能耗降低4.60%、减少运动冲击,证实了基于动力学的综合最优轨迹规划的可实施性。

关键词： 动力学参数辨识   时间最优轨迹规划   轨迹跟踪控制   力矩前馈  

摘要： 工业机器人在现代制造业中起着重要作用,其运动性能直接影响作业的效率和质量。然而,国产机器人的快速性和准确性与国外机器人还有很大的差距,制约着我国工业向高端化方向发展。为此,本研究旨在通过对影响机器人运动性能的关键技术进行研究,优化工业机器人的运动性能,提高工业机器人的运行快速性和准确性。具体内容如下: 为了提高工业机器人的动力学模型准确性,本文设计了一种分步辨识的策略。单独建立机器人的关节摩擦力模型,先辨识出关节摩擦参数。然后再通过整体实验的方法,用采集到的实际关节力矩减去关节摩擦力矩,辨识机器的最小惯性参数集。在此过程中对激励轨迹进行设计优化,对采集的数据进行处理,保证辨识精度。最后通过实验获得完整的动力学模型的参数。设计验证轨迹,验证工业机器人分步参数辨识策略的有效性。 为了提高工业机器人的快速性,本文改进了基于可达性分析的时间最优轨迹规划(TOPP-RA)算法。该算法综合考虑了机器人的完整动力学和运动学约束,相较于传统的基于可达性分析的时间最优规划,本文采用了辨识得到完整的动力学模型,有更接近实际的惯性参数和完整的关节摩擦力模型,在保证能够生成满足时间最优轨迹的同时确保机器人运行更安全可靠,从而提高了工业机器人的运行效率和安全性。 为了优化工业机器人的准确性指标,基于辨识得到的完整动力学模型设计力矩前馈控制,结合驱动器内部的三环PID控制。该方案能够通过预先计算和补偿动力学参数的力矩,提升工业机器人末端的位置跟踪精度。 为了验证了本文所研究技术对机器人运动性能优化的有效性和实用性,基于QJR6S-1工业机器人进行了时间最优轨迹规划算法和轨迹跟踪控制算法的验证。实验结果表明,基于动力学参数辨识的分步辨识策略能够进一步提高机器人动力学模型的准确性,同时,基于完整动力学模型的时间最优轨迹规划和基于辨识动力学模型的力矩前馈控制方案也能够有效地提升机器人的运动快速性和准确性,基本实现了对国产工业机器人运动性能的优化。

关键词： 非线性摩擦   物理一致性   动力学参数   参数辨识   分别辨识  

摘要： 协作机器人需要实时感知自身状态和环境信息,并基于这些信息与人类进行高精度、高效率的密切合作。因此,如何保证更高的安全性和可靠的稳定性是人机协作的共性问题。精确估计机器人的动力学参数可以提高机器人控制算法的精度和效率,进而使机器人能够更加高效地执行任务,并与人类进行更加安全有效的合作。因此,本文从机器人建模与惯性参数约束分析、关节摩擦辨识、连杆惯性参数辨识、负载辨识等方面开展以下工作:1)基于改进的DH参数对机器人进行运动学建模,获得机器人各连杆坐标系的空间表达式。通过拉格朗日方程获得以状态空间方程形式表达的机器人逆动力学方程。由于机器人惯性参数耦合在方程中,因此将动力学方程进一步改写为与机器人惯性参数为线性关系的表达式,并通过数值实验进行验证。惯性参数是物体固有的物理属性,受到客观物理规律的约束。因此本文考虑了惯性参数的物理一致性以及几何一致性约束,并对约束进行了分析和证明。2)利用机器人逆动力学方程中惯性力、离心力与科氏力以及重力的特性,设计了通过关节正反转抵消非摩擦力矩项的关节运动轨迹,从而将关节摩擦力矩从采集得到的关节力矩信息中单独剥离。通过在参考角度和角速度平面上对关节摩擦力矩进行加权平均滤波,实现摩擦力矩与角速度的匹配以及噪声的滤除。选用了三种不同的静态摩擦模型对关节摩擦进行建模,并通过遗传算法求解摩擦参数,对三种摩擦模型进行分析与对比。3)以傅里叶级数作为激励轨迹的参考模型,使用五阶多项式代替常数项避免了关节初始与终止运动状态的突变。运行激励轨迹并采集关节数据,使用第3章辨识得到的摩擦参数计算摩擦力矩,将摩擦力从测量到的关节力矩中剔除。将机器人惯性参数辨识表达为带物理一致性约束的凸优化问题,以标称惯性参数与辨识值之差的L2范数作为正则项,使用优化问题求解器进行求解。基于MATLAB中的Robot System Toolbox进行了仿真数据求解,验证了方法的可行性。并设计了三种不同的实验验证了所提出的基于物理一致性约束的分别辨识方法的有效性。4)对带载的机器人动力学模型进行分析,得到负载所贡献的机器人关节力矩方程,并通过仿真进行验证。设计了三种不同的负载辨识方法:基于机器人本体动力学参数的负载辨识方法、基于同一轨迹空载与带载关节力矩之差的负载辨识方法、连杆和负载惯性参数的同时辨识方法,并对多个不同几何结构的负载进行辨识。最后将辨识的末端负载添加到机器人连杆惯性参数中,使用机器人计算库Pinocchio实现机器人运动学和动力学的计算,并基于机器人的零力控制进行了验证。

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： 空间柔性并联机器人   动力学建模   神经网络控制   轨迹跟踪   振动抑制  

摘要： 并联机器人在工业、农业、服务业等行业发挥着日益重要的作用。对了减少机械臂的驱动负载和节省控制成本,机器人逐渐朝着高速、轻量化以及高精度的方向发展。机械臂结构采用轻量化的柔性材料来代替。但由于柔性连杆尺寸大,质量低的结构特点,在高速重载的条件下,柔性连杆的弹性变形会使得末端执行器定位精度下降,甚至使机构配合失效。因此,建立能反映柔性并联机器人动态特性的刚柔耦合动力学模型是十分重要的。本文以空间柔性并联机器人为研究对象,通过对其构建动力学模型及控制算法等问题进行研究。主要研究内容如下:为了更好地分析3-RRRU并联机器人各机构在运动过程中的位置、速度和加速度随时间或其他变量的关系,对3-RRRU并联机器人的运动学位置逆解、速度逆解和加速度逆解进行详细推导,在运动学逆解分析的基础上,对工作空间进行可视化分析,探究3-RRRU并联机器人在工作空间中的极限位置。针对空间柔性并联机器人的刚柔耦合动力学模型建立较为复杂的问题,综合运用分支结构法、拉格朗日法、假设模态法以及独立坐标法得到便于设计控制器的简化刚柔耦合动力学模型。为了主动抑制柔性连杆的弹性变形引起动平台的持续振荡,基于奇异摄动法,在系统参数不确定的情况下,提出了空间柔性并联机器人系统的RBF神经网络控制和柔性振动的PD控制。仿真结果表明,该控制策略不仅能够实现轨迹的渐进跟踪,也能有效抑制柔性连杆的振动。为了降低控制策略的复杂性,在模型不确定的情况下,设计了基于混合轨迹的RBF神经网络补偿控制方案。仿真结果表明,该控制方案不但保证了模型不确定情况下的鲁棒性,而且也能抑制柔性连杆的振动,验证了该控制方案的可行性与有效性。

关键词： 人工智能   机器人学   无人系统   理实结合   项目驱动学习  

摘要： 针对面向“新工科”的人才培养模式和教学内容改革，依托“无人系统科学与技术”新兴交叉学科，西北工业大学无人系统技术研究院开设了“智能无人系统综合设计”课程，探索竞赛项目牵引、理论实践结合、重视团队合作的“人工智能+无人系统”教学模式，建立多层次、开放式教学体系。该课程以机器人操作系统为软件平台，利用智能无人机、无人车等硬件设备，紧密围绕智能自主方向的人才培养需求，融合多学科知识内容，涉及智能感知、自主决策、集群协同等几个关键技术的理论教学及实验设计。该课程能够使学生在动手实践中掌握智能无人系统的设计方法和系统集成等全流程环节，培养学生的综合能力，为后续开展相关学科竞赛和科研活动奠定理论和实践基础。

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。