关键词： 低重力星体表面探测   足式跳跃机器人   足与月壤相互作用力   动力学建模   着陆性能  

摘要： 随着深空探测任务的深入,利用灵活高效的足式跳跃机器人开展低重力星体复杂地形区域探测成为必然趋势。机器人在跳跃过程中,能否平稳安全地着陆直接关系着探测任务的成败。由于地球重力的影响,机器人在低重力星体环境下的着陆过程难以模拟,从而造成星表探测任务中机器人的着陆动力学特性无法准确预示,因此亟待开展星表探测足式跳跃机器人动力学建模与着陆性能分析研究。本文以月表着陆为例,通过构建考虑动态冲击推土效应足月力与柔性关节力的机器人系统动力学模型,研究着陆参数对机器人着陆性能的影响,为机器人着陆控制策略的选取提供理论支持。 足端是与月表直接接触的部件,足与月壤相互作用力是机器人动力学模型的必要输入项。针对机器人着陆时足底应力分布规律难以测得进而导致足与月壤相互作用力描述不准问题,建立了基于EDEM-ADAMS的单腿冲击月壤联合仿真模型,分析了足底应力的分布规律,提出了考虑推土效应的等效沉陷量。对足底应力求取积分并引入阻尼项,建立了考虑动态冲击推土效应的足月相互作用力学模型。搭建了单腿冲击模拟月壤试验系统,将不同速度下的足端力试验结果与模型计算结果进行对比,验证了足月力学模型的准确性。 结合足式跳跃机器人的构型特点,采用欧拉角对其机体运动姿态进行描述。运用D-H法建立了着陆腿的运动学模型,得到了着陆过程中各构件的质心位置。建立了机器人正向运动学模型,分析了各构件的运动速度,求取了着陆腿的雅克比矩阵,得到了机器人机体与足端的运动关系。采用弹性扭簧模型对机器人的柔性关节力进行描述。基于拉格朗日法建立了机器人的动力学方程,并将足与月面相互作用力作为输入项嵌入动力学方程中,得到了机器人系统动力学模型。 基于建立的机器人系统动力学模型,开展了机器人着陆性能分析研究。搭建虚拟样机进行着陆动力学求解,定义了着陆参数与着陆模式。从机器人着陆的稳定性、安全性方面,提出了着陆性能的评价指标,采用稳定锥角法对着陆稳定性进行判别。研究了着陆参数对机器人着陆性能的影响,结果表明:初始水平速度、姿态角及月面坡度是影响着陆倾覆稳定性的主要因素,而初始竖直速度则影响着陆的安全性。将着陆参数离散化,运用逐渐逼近法搜索获得了机器人稳定着陆的参数边界。

关键词： 混联抛光机器人   弹性动力学   运动副间隙   虚功原理  

摘要： 随着航空航天、现代光学系统、半导体加工等产业的迅猛发展,以及相关的计算机控制技术和数控加工技术的不断提升,对超光滑表面元器件加工要求越来越高。电辅助光催化纳米颗粒胶体射流抛光是一种可实现亚纳米级超光滑表面去除的加工方法。将射流抛光技术和超精密运动平台组合,可以很好地完成复杂曲面的超精密抛光加工。这种组合中,混联机床因其广阔的工作空间、卓越的动态性能和高承载能力等优点,成为超精密运动平台领域的首选。目前,并联机构正朝着高速化、轻质化、高精度的方向发展。然而,机构末端若有高负载和机构自身运动的固有特性均会使其机构发生一定的弹性变形,以及各运动副间隙处可能会产生的冲击碰撞,均会影响并联机构的动力学特性。因此,对空间混并联机构进行动力学分析的同时考虑构件的柔性和运动副间隙具有十分重要的意义。本文以3-RPS并联机器人为研究对象,结合XY方向的串联十字滑台机构,组成XY-3-RPS混联系统,作为超精密加工运动平台的载体,综合分析了串联子系统与并联子系统的弹性变形和运动副间隙引起的误差,具体研究工作如下:首先,对XY-3-RPS混联抛光机器人进行运动学建模,通过搭建虚拟样机开展运动学仿真,其结果与数值分析结果对比验证混联机器人模型的正确合理性。对机构进行分析,建立其含运动副间隙的运动学模型。考虑实际工况下系统可能发生的运动和变化,将XY-3-RPS混联抛光机器人系统拆分为并联子系统和串联子系统,并进一步将混联子系统拆分为动平台子系统、驱动臂子系统、从动臂子系统以及串联子系统,将运动学与虚功原理相结合建立各个子系统的刚体动力学模型。再通过矢量相加求得整个混联系统的刚体动力学模型,运用理论模型与虚拟样机完成混联系统的动力学分析。然后,将XY-3-RPS混联抛光机器人拆分的各子系统,利用Newton-Euler方程、Lagrange方程和有限元理论,完成各个子系统的动力学模型的建立。在运动学约束方程和动平台子系统的动力学模型的基础上,将各支链子系统的弹性动力学模型合并在一起,确立混联系统的弹性动力学模型。通过对模型及进行仿真验证分析,探求了弹性变形这一影响因素对混联机器人的动态特性影响。最后,基于数值统计原理与随机函数,完成了混联抛光机器人系统中各个运动副的间隙模型的建立,求得各个支链的虚拟杆长。并进一步将求得的虚拟杆长与含运动副间隙时各个运动副处的接触碰撞力融合到混联系统的弹性动力学模型中,进而得到含运动副间隙的XY-3-RPS混联机器人的动力学模型,再经数值分析,探究了运动副间隙对混联系统的动态特性影响。对比其含运动副间隙与各个子系统支链弹性变形的结果,综合比较分析了各支链的弹性变形与运动副间隙之间的耦合关系,以及两者共同作用分别对混联系统的动态特性影响,探究了影响整个混联系统末端输出的误差变化的关键因素,为之后XY-3-RPS混联抛光机器人的精确控制、误差补偿等提供理论依据和指导。

关键词： Aerodynamics  

摘要： In the Reynolds number range (1e4 − 1e5) relevant for bat or bird scale flapping wing robots, there is little experimental data, nor appropriate reduced order computational model that explore flapping wing aerodynamics with complex wing kinematics. In this thesis, I first propose a reduced-order dynamic model that incorporates complex wing deformation, which is tested against a previous-measured highly-articulated bat flight data, and use it to predict power required for animals with heavy and cambered wings, and demonstrate that the wing camber has a disproportionate effect on lift generation and flight energetics. Then, focusing on wing twisting and folding - two most prominent kinematics besides flapping of wings, I study their synergistic impact on Cost of Transport, a metric of vehicle efficiency. These computational models are co-evolved with an experimental robotic platform that performs flapping, twist and fold motions, which is mounted in a wind tunnel for direct force measurement and particle image velocimetry (PIV) experiment, to study the unsteady aerodynamics such as the transient jet produced when the two wings clap at the ventral side, which contribute to lift generation without compromising power economy.

关键词： 喷漆机器人   弹簧机构   动力学分析   振动控制  

摘要： 在现代制造业中,喷漆机器人占据着重要的地位,其应用也越来越广泛。本文以RPA856RP型喷漆机器人为参考样机,基于有限元理论,对机器人关键部件进行静力学和模态分析,获取其变形量与固有频率;基于动力学仿真技术,对其进行动力学建模及仿真分析,验证了弹簧辅助平衡机构的有效性;建立机器人振动分析等效模型,研究弹簧机构参数对系统末端振动响应的影响规律,为同类型机器人系统的振动控制提供参考。本文主要研究内容如下:(1)根据喷漆机器人结构的设计原则和技术参数,以参考样机为基础,利用UG三维建模软件对喷漆机器人进行建模装配,根据模型对弹簧辅助平衡机构进行重新计算设计;进行喷漆机器人运动学分析,采用标准D-H参数法建立运动学模型,并进行运动学正、逆解的求解;基于Matlab软件建立运动学仿真模型,并对比验证运动学模型建立的准确性,最后通过仿真得出了喷漆机器人工作空间云图,为模型的准确性提供了额外的验证。(2)对机器人关键部件进行静力学和模态分析。基于Ansys/Workbench平台,分析喷漆机器人关键部件等效模型在极限位姿情况下的应力和位移云图及其分布,以此为依据校核关键部件的强度和刚度是否满足要求;此外,还进行关键部件的模态分析,获得部件低阶固有频率和振型,为避免共振的产生和提高机器人薄弱位置的动静态性能提供参考,同样也为机器人获得安全可靠的结构和良好的动态性能提供了参考依据。(3)利用Adams软件建立喷漆机器人动力学仿真模型。首先通过选取喷漆机器人典型的喷涂轨迹,对不同喷涂速度下的大臂和小臂关节负载力矩情况进行分析,通过对比可得机器人在最大运行速度2m/s下关节负载较大;在此喷涂速度下对机器人在安装弹簧平衡机构前后关节的负载进行动力学分析,并选取驱动失效瞬间这一特殊情况下,分析弹簧平衡机构对缓解关节驱动受到冲击的效果。两种情况下的动力学仿真共同验证了弹簧辅助平衡机构对机器人良好的动力学性能有着积极的作用;建立机器人振动分析等效模型,将机器人转化为二连杆—弹簧模型,通过动力学建模理论分析确定影响系统动力学性能的主要参数,通过Matlab/Simulink平台建立二连杆动力学仿真模型,分析弹簧机构各主要参数对二连杆末端振动响应的影响规律,最后设计了一种粒子群优化算法对弹簧机构各参数进行优化,为同类型的机器人振动系统研究提供参考。

关键词： 轮毂磨抛   运动控制系统   逆运动学   参数辨识   动力学模型   轨迹规划   PPO强化学习  

摘要： 随着工业自动化的蓬勃发展,工业机器人以其低成本、高效率等诸多优势逐渐广泛应用。在工业机器人实现轮毂磨抛作业环境中,往往是基于位置控制进行磨抛作业,这种方式通常由人工示教磨抛路径点的速度和加速度,往往示教效率很低,同时该方式也不能有效利用电机性能更高效运行。如果要进一步提高示教效率和作业效率,并且能避免未知的振动产生,则需要从动力学角度进行时间轨迹规划。本文以此为背景,对磨抛运动控制系统、偏置手腕逆运动学、动力学模型及其参数辨识和基于动力学模型的轨迹规划等内容展开了研究。旨在针对实际磨抛加工等工业环境下,研究六自由度机器人的轨迹规划问题,完成在力矩限制条件下的轨迹规划,提供理论示教参考轨迹,以提高示教效率和工作效率。本文所完成的主要工作如下: 针对磨抛机器人工业领域没有开放式和扩展式的运动控制系统,设计了一个运动控制系统架构,设计了其人机交互和通讯实现方式,并搭建了实验平台。针对本系统偏置机器人手腕结构,提出了偏置补偿法结合牛顿迭代法的数值解法求解逆运动学,实现了高精度以及快速求解目标,同时,采用随机点和轮辐表面采样点进行了仿真和实验,验证了算法的性能,进一步也验证了运动控制系统的实时性。 通过构建机器人拉格朗日动力学方程,建立并验证了最小参数集形式的动力学模型的正确性,再基于条件数最小优化原则,通过遗传算法求解出了一组五次傅里叶级数激励轨迹,最后,运行激励轨迹,对采集数据进行滤波处理,通过最小二乘法辨识机器人动力学最小参数。 为提高人工示教作业的示教效率和提高加工效率,着手于离散路径下的基于动力学模型的轨迹规划问题,将离散路径的位置和姿态做二次离散,从关节空间转移到参数空间,并在关节力矩约束条件下求得每一个离散点的允许加速度区域,通过二分法求解出这些点的最大加速度,绘制离散最大速度限制曲线,针对姿态变化大的磨抛路径以及因差分带来的加速度突变导致求解失败的问题,提出改进离散数值积分方法,成功规划出了机器人运动轨迹,为示教轨迹的速度和加速度提供了理论的参考值。 针对数值积分方法在寻找关键加速度切换点困难问题,提出了强化学习轨迹规划的方法,将在最大速度限制下的相平面轨迹规划问题表达成一个强化学习可解的环境,并设计了其状态空间和动作空间,设计了归一化的动作空间将动作与环境解耦,通过设计的奖励函数,使用PPO强化学习算法对轮缘路径进行轨迹规划,成功规划了一条运动轨迹,并通过实验验证了所提出方法的可行性和正确性。 对离散数值积分方法和PPO强化学习算法实现的基于动力学模型的轨迹规划仿真轨迹进行了实验验证,同时也验证了动力学模型参数辨识的正确性。

关键词： 履带式消防机器人   多体动力学模型   动力学分析   稳定性   悬架优化  

摘要： 履带式消防机器人能够协助和替代消防员进入火场中进行灭火和救援作业,从而降低救援的风险。为了最大限度地保证消防员的安全,对消防机器人性能的要求越来越高。因此,对履带式消防机器人的行驶性能、稳定性等进行分析研究,对提高履带式消防机器人的救援效率有着不可或缺的作用。本文以履带式消防机器人为研究对象,通过建立其多体动力学模型,对机器人进行动力学分析、行驶性能分析、稳定性分析以及机器人悬架参数优化等问题展开相应的研究。本文研究重点放在以下几个方面: 1)为便于对履带式消防机器人进行研究,本文以履带式消防机器人实体样机为对象,构建机器人的三维模型,对机器人样机的关键部件进行试验分析获取相应参数,运用拉格朗日法构建动力学模型,并通过动力学软件构建履带式消防机器人的多体动力学模型,最后结合样机试验结果验证了模型的有效性和可信度。 2)为确保履带式消防机器人能够顺利到达指定点作业,对履带式消防机器人不同工况的行驶性能进行分析,本文基于所构建的履带式消防机器人的多体动力学模型,主要从直线行驶、转向行驶和越障行驶三种运动形式来研究,通过对机器人以三种运动形式在不同工况下的行驶性能进行仿真分析,改变机器人行驶速度、路面参数以及机器人质心位置等主要参数,来研究参数变化对履带机器人行驶性能的影响。 3)为保证履带式消防机器人在服役工况下的稳定性,对履带式消防机器人的稳定性进行理论及仿真分析,本文主要从以下三种情况进行研究:坡地纵向稳定性、横向稳定性及平地静止作业时稳定性。通过理论推导机器人工作时消防水炮后坐力的计算公式,并建立机器人坡地静态稳定性数学模型,分析计算机器人坡地稳定性的评价指标极限滑移角和倾翻角。基于动力学模型研究了机器人在不同坡度下的坡地稳定性以及后坐力对平地稳定性的影响。 4)为提高履带式消防机器人云台稳定性及机器人行驶性能,对履带式消防机器人的悬架参数进行优化设计。本文基于动力学模型,通过构建优化模型对悬架参数进行优化设计。通过机器人悬架主要部件油压减震器的试验分析,确定优化的设计变量,以油压减震器的刚度为设计变量,以机器人的垂向振动加速度和俯仰角加速度为目标值,通过动力学分析获取样本数据并构建代理模型,确定优化模型的约束条件,并利用非支配排序遗传算法进行优化,获得刚度的最优参数,从而提高机器人的稳定性。

关键词： 下肢康复机器人   逆动力学模型   拟人控制器   深度学习   人体步态数据  

摘要： 随着社会老龄化、城市化进程的加快以及不健康生活方式的普遍存在,脑血管疾病的危险因素也普遍被显现出来。脑血管疾病常伴有肢体运动障碍,给人类生活带来极大不便。因此,恢复行走能力是患者康复的主要目标。传统的康复理疗主要依靠人工或者借助于简单的医疗设备完成,远没有达到病人的实际需求。使用康复机器人能够有效地缓解传统康复治疗中存在的缺点与不足,具有显著的优势。其中,下肢康复机器人已逐渐成为当前的研究热点。受人类下肢特征启发的仿人控制器在下肢康复机器人的研究中发挥着重要作用。然而,由于仿人控制器的非线性和强耦合特性,人体下肢康复机器人的逆动力学模型的精确性仍然是一个具有挑战性的问题。因此,本文针对基于人体运动机理的下肢康复机器人逆动力学建模及仿人控制做了研究,主要工作及研究成果包括:(1)基于人体运动机理对健康人体下肢的运动数据进行分析。首先,通过实验室的三维运动捕捉系统和三维测力平台,对人体下肢运动的步态数据、足底力数据进行测量。然后,将采集到的数据进行滤波和拟合,处理成能直接应用于下肢康复机器人仿人控制器的数据。最后,建立下肢康复机器人二连杆模型并采用拉格朗日分析的方法进行动力学分析。(2)为了进一步提高下肢康复机器人仿人控制器逆动力学模型的精确度,提出使用非参数建模的方法学习逆动力学模型。其主要思想是用健康的人体下肢主要关节的运动数据作为输入,对应的关节力矩作为输出,通过神经网络的训练来学习逆动力学模型。为保证学习到的模型能用到下肢康复机器人的仿人控制器上,本文采集的所有数据全部是健康的人体下肢运动的真实数据。此外,由于采集的数据其数据类型是基于时间序列的,因此,本文提出使用长短记忆网络(LSTM,Long Short-Term Memory)和门控循环单元(GRU,Gated Recurrent Unit)网络来学习逆动力学模型,并比较了两种神经网络的学习效果。这两种网络模型的评价指标为均方根误差(RMSE,Root Mean Squared Error)。实验结果表明,两种网络都有很好的学习效果,GRU网络比LSTM网络有更强的学习能力。(3)基于人体运动机理对下肢康复机器人进行仿人控制研究。主要思想是基于健康人步态的轨迹作为仿人控制器的期望轨迹,将从逆动力学模型学习到的仿人控制器需要提供的关节力矩作为输入,并与PD控制器相结合进行补偿和校正,最终实现下肢康复机器人可以精确的跟踪期望的输入轨迹。该仿人控制器最终在MATLAB simulink平台进行了仿真和验证。

关键词： 机器人   模块化关节   动力学建模   转矩控制   位置控制  

摘要： 机器人系统在工业生产及智能制造领域不断得到应用，显著提高了制造业的自动化水平与生产效率。模块化关节是协作、航天、服务等机器人的核心部件。采用模块化关节可灵活搭建机械臂，降低维护成本。但模块化关节结构复杂，控制难度大，限制了关节本身及相关机械臂性能的提高。本文以模块化关节为研究对象，旨在解决模块化关节在建模、转矩控制、位置控制和工程应用中的实际问题。通过分析、建模、实验，建立了模块化关节的精细动力学模型，以及有效的控制策略和便捷的开发路线。本文在综述了国内外研究现状的基础上，主要开展了如下研究。　　为了分析关节动力学特征和满足运动控制算法需求，首先要研究模块化关节动力学精细建模方法。根据模块化关节结构组成与功能特点，分析了因关节多惯量体和摩擦而引发的控制问题。采用空间算子代数法，建立了更加精细的关节多惯量传动模型。关节中的摩擦具有独特的复杂性，本文以Stribeck与人工神经网络相结合的方法实现关节内摩擦的精细建模。以 Stribeck 曲线作为关节摩擦主要部分，通过传感器数据训练ANN 实现非模型摩擦残差观测。设计优化激励轨迹，以最小二乘法进行关节参数辨识，通过辨识模型，能够实现关节转矩的高精度估计，验证了模型的有效性。　　在关节动力学建模的基础上，开展关节转矩控制方法研究。分别在关节电机转矩控制和关节终端转矩控制两个层面，应用有限控制集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control，FCS-MPC）。在电机转矩控制中，提出了一种改进的逐桥臂FCS-MPC，可以减少 20%以上的计算时间，降低电机输出转矩波动;在关节输出端转矩控制中引入关节动力学模型和电机参考转矩，构成关节转矩全状态变量 FCS-MPC，可以在控制关节输出转矩的基础上，通过对电机参考转矩的调节，降低关节转矩调节振荡，实现对转矩的稳定跟踪。　　考虑关节位置控制具有重复性参考轨迹的特点，开展关节位置控制方法研究。选择迭代学习算法（Iterative Learning Control，ILC）作为关节位置控制方案，提出一种带可变遗忘因子的模糊增益改进迭代学习算法。分析关节动力学方程一般形式，建立模块化关节物理量与算法变量之间的联系。为了削弱迭代学习算法的过度修正问题，以变增益闭环PD型迭代学习算法为基础改进迭代学习算法。为了解决学习增益的工程试错，引入模糊增益;为了克服非周期性系统扰动，引入变遗忘因子，减小算法对上一次学习结果的依赖。对比实验表明，本算法可以实现关节位置的稳定跟踪和误差快速收敛。　　针对关节控制器算法开发调试问题，开发了模块化关节快速原型控制器（ MJ Rapid Controler Protype，MJ-RCP）系统，并以此平台为基础搭建2-DOF机器人系统，开展综合实验。采用RTOS+PCIE实时数据采集卡，搭配功放模块构成控制器;采用基于模型开发方法，搭配自动代码部署调试软件，实现关节算法的快速开发、测试。利用MJ-RCP的计算资源可以实现复杂算法的实时计算，支持本文实验。在单关节中开展阻抗力控实验，在双关节机器人中开展力-位混合控制实验。在综合实验中再一次验证了本文方法的有效性。　　本文所做探索性研究工作，对提高机器人模块化关节的后续开发工作，丰富理论研究内容，促进工程应用等具有一定适用价值。

关键词： 机器人工程   项目驱动   创新实践   教学方法  

摘要： 随着我国机器人产业的快速发展，国内各大高校陆续开设了机器人工程相关课程及专业。机器人工程作为自动化类新工科专业，具有综合性、实践性、应用性强和多学科交叉融合等特点，学生的创新实践能力培养成为教学环节中关键。基于传统自动化类工科专业教学模式存在的问题，提出了项目驱动式实践教学的新模式，以学生为中心，围绕项目传授基础知识，探索理论教学+实践教学的新形式，促进学生个性化发展，为高校关于机器人工程课程教学模式提供新思路。

关键词： 并联机械腿   四足机器人   螺旋理论   动力学   三维步态  

摘要： 随着计算机技术、人工智能技术、机器人技术等高新技术日新月异的发展,人们对于机器人的幻想已不再遥远。近些年来,足式机器人成为了新的研究热点,相较于传统的轮式、履带式机器人而言,足式机器人的落足点是离散的,对非机构化地面适应能力强,可广泛应用于野外等复杂环境中。目前四足机器人的腿部大多采用三自由串联结构,每个关节都需安装驱动,其承载能力及动态性能较差,且由于电机分布在各关节处,不便统一密封维护。随着并联机器人技术的发展,并联机构也逐渐应用于四足机器人的腿部,提升了四足机器人的承载能力及动态性能,拓宽了四足机器人的应用范围。目前对于四足机器人步态规划的研究主要集中于沿矢状面移动,未充分考虑四足机器人的侧向运动能力。相比于非全向移动方式,全向移动无需转向即可避障,移动更加灵活可变。本文将一种三自由度并联机械腿应用于四足机器人上,主要就机械腿运动学、动力学及四足机器人三维步态规划、仿真实验及样机搭建等内容展开研究。 本文首先就一种并联机械腿进行了运动学分析,包括坐标系建立、自由度分析、运动学正反解、雅可比矩阵求解、可达工作空间及刚度性能分析;然后,应用螺旋理论求解各关节、杆件的速度、加速度影响因素,并结合虚功原理求解出机械腿的动力学解析表达式,并进行了数值仿真对比;其次,研究了四足机器人的三维步态,包括全方向行走步态及全方位行走步态,规划了Trot及连续静步态的全方向行走,研究了抬腿点、落足点、迈步顺序、稳定性及变速度等相关内容,并通过重心五次多项式规划改善了连续静步态全方向行走的稳定性;最后,根据旋转中心理论将三自由度平面运动转化为绕转动中心的转动运动,并以间歇步态为基本步态,给出了初始位置、迈步顺序、稳定性及变速度分析等相关内容;在此基础上,搭建了Simulink/Adams联合仿真环境,仿真了四足机器人斜向及转向行走能力,对比了两种步态在定曲率圆形轨迹下的运动能力;最后使用3D打印技术搭建了样机,并进行了自由度实验及步态实验。