关键词： 并联机构   运动学   动力学   MATLAB   激光跟踪  

摘要： 并联机器人是运用范围比较广的空间机构,它具有串联机器人所不具备的刚度大、动力性能好、末端执行件惯性小等优势,这种优势在高速、重载的工作条件下更加显著,也因此拓宽了并联机器人的应用范围,被广泛的用于航空、制造业、军事、海洋开发、医疗、服务等领域。在现代机械制造业和自动化行业研究浪潮中,并联机器人占据了主导地位。在我国,针对并联机器人的机构学、运动学等方面的研究相对比较成熟,对其动力学研究还不多,随着社会对并联机器人的需求日益增多,对其动力学的研究也刻不容缓。新型3-PSS并联机器人具有输出精度高、承载能力强、结构简单、逆解唯一等优点。换言之,新型3-PSS并联机器人既有一般并联机器人的优点又克服了一般并联机器人正、逆运动学多解的弊端,从而使基于逆解的机构学研究易于应用。本论文在结构理论、三维建模、运动学分析、动力学分析、参数测试等专题进行了研究,阐述了各专题研究的意义及其相互关系。基于机构学理论,本文首先运用三维软件Pro/E对3-PSS并联机器人进行了虚拟样机;其次,由于机构的运动学分析是其工作空间、动力学、轨迹规划、误差分析等研究的基础,所以基于力学理论对其进行运动学分析。并联机器人的运动学包括正、逆运动学两部分,本文就其逆运动学进行了研究,分析动平台的空间运动特性,通过位置的输入输出关系推导出动平台的位姿方程;在此基础之上求得滑块、链杆的速度、角速度方程式,建立逆运动学模型;将运动学模型离散化,运用Matlab平台得到3-PSS并联机器人在不同欧拉角、不同动平台运动轨迹下的滑块和链杆的位移、速度曲线及上、下球铰分别与动平台、滑块形成的角位移、角速度曲线。利用凯恩方法推导动力学方程可以减少计算步骤进而提高计算效率。本论文在运动学分析的基础之上,基于Kane方法进行动力学建模,包括：求解偏速度、偏角速度、广义主动力及力矩、广义惯性力及力矩等。同时,运用Matlab平台和ADAMS软件对其动力学模型进行仿真,对比分析结果,借此验证理论模型的正确性。为以后的轨迹规划、动力学性能优化及实时控制提供有力的理论支持。鉴于目前存在的空间并联机器人运动学参数在线测量困难的问题,本文提出了基于激光跟踪的解决办法。其基本思路是：在保证动平台运动轨迹与理论模型的运动轨迹相同的前提下,用激光跟踪仪追踪在动平台上布置的三个marker点即测量点,依据这三个测量点(三个测量点共面不共线)的动态测量数据,快速计算出各个被测构件的全部运动学参数。

关键词： 竞赛机器人   机器人采摘   双目视觉定位   控制系统  

摘要： 本课题通过中国机器人大赛自主采摘机器人比赛平台系统的研究,引导采摘机器人项目改进,推进机器人比赛项目向高技术、高层次发展,为大学生和机器人爱好者提供更好的交流平台,同时对促进机器人技术在农业领域的应用和推广具有重要实践意义。课题以采摘机器人视觉定位和机械手视觉伺服控制为主要研究内容,结合竞赛平台采摘机器人目标果实识别和定位的实时性和准确性要求,搭建了自主采摘机器人平台样机,重点对三维空间位置果实快速识别定位和机械手关节运动控制进行了深入研究。论文具体研究工作如下:首先,通过分析采摘任务要求,设计采摘机器人的整体结构,搭建了机器人硬件平台,针对机械手的结构建立运动学模型,并且进行正、逆运动学分析求解。确定了机器人系统整体控制方案、并完成了控制系统电路设计和电路板制作。其次,对三维空间果实识别定位进行研究,在RGB颜色空间确定了阈值分割最优色差模型,实现对目标果实进行有效分割提取。采用游程编码法进行图像连通区域分析,选取最佳采摘对象。对于目标果实外形、纹理区分不明显,匹配时出现多候选匹配情况,先用基于由粗到精匹配法,先通过形心特征匹配锁定候选匹配点;再用邻域灰度互相关测度去除误匹配提高了匹配精度。并设计了采摘机器人果实双目定位系统。最后,对视觉系统引导下机械手的运动控制进行研究。先利用双目视觉系统测出的目标果实的空间坐标,通过机械手运动模型逆运动学求解得出机械手目标姿态对应的关节角度值,并在关节空间对机械手的动作轨迹进行了轨迹插值;再对采摘机械手部分控制器进行设计;基于模糊PID控制实现了机器人关节角度位置的伺服跟踪控制,并通过simulink仿真对控制系统的性能进行了评估。最后,对机器人进行了联合调试与采摘实验,验证了采摘机器人系统的性能与精度。

关键词： Delta并联机器人   运动规划   计算力矩解耦控制   随机粒子法   Simulink仿真  

摘要： Delta机器人是一种并联机器人,主要可以实现包装、分拣、轻量搬运等工序,现己广泛应用在电子、食品、制药、医疗等行业。在高速高精的工作场合下,机器人的动力学特性变得明显,传统的基于运动学的控制方法存在控制精度不高、控制能量较大等缺点,同时Delta机器人整体是个强耦合、非线性系统,这些给控制带来一定挑战。机器人连杆的质心、质量、转动惯量等参数存在测量误差,机器人的结构参数可能部分未知或存在偏差,通常建立的动力学模型只是实际模型的估计,研究动力学模型的偏差对控制效果的影响很重要。PID控制器因其原理简单、鲁棒性好、可靠性高,一直是工业过程控制中应用最广的控制器。PID参数整定方法通常有基于经验和基于智能算法两种方法,前者整定过程较繁琐且需要一定的经验,后者算法较复杂且计算量大。因而,寻找一种简单、普适的PID参数自整定方法尤为重要。针对以上的问题,本文以Delta并联机器人为研究对象,研究机器人的运动学、动力学、运动规划及基于动力学的解耦控制问题,并提出基于随机粒子法的PID参数自整定方法。本文首先分析了Delta并联机器人的运动学及动力学。求解机器人的运动学正解并结合Delta实验平台验证其正确性;提出了一种绘制机器人可达工作空间简单高效的方法;建立机器人运动学逆解并结合运动学正解并验证了模型的正确性;推导了雅可比矩阵、逆速度、逆加速度的表达式;分析了机器人的奇异位型;结合机器人自身的结构特点,提出了一种解决从动臂的质量分配问题的方法,大大简化逆动力学方程的建立过程。然后,进行了Delta并联机器人的运动规划——路径与轨迹规划。为确定机器人的最短轨迹规划时间,提出了求解Delta机器人沿工作空间任意路径的极限速度和极限加速度的方法;提出了一种Delta机器人路径与轨迹规划的方法,推导了理论的最短轨迹规划时间的表达式。其次,研究了Delta并联机器人在关节空间及任务空间的计算力矩解耦控制方法。推导了关节空间及任务空间的计算力矩解耦控制方法的控制率,证明了在惯性矩阵、哥氏力与离心力、重力项在理想与非理想估计下,该控制系统是全局渐进稳定的;为分析惯性矩阵、哥氏力与离心力、重力项的偏差对控制效果的影响,提出了施加随机干扰方法,结合仿真实验,比较了不同的扰动系数对控制效果的影响。再次,构造出PID参数优化指标的综合表达式,提出了基本的随机粒子法与改进的随机粒子法自整定PID参数的方法。定义粒子的直积空间及粒子在直积空间的寻优迭代规则,为解决粒子窜出直积空间的问题,提出了“镜面模型”;为提高随机粒子法的搜索精度和局部搜索能力,提出了改进的随机粒子法。仿真实验表明,用基本的随机粒子法优化后跟踪效果明显优于没优化之前,用改进的随机粒子法相比基本的随机粒子法的优化结果更佳。最后,利用MATLAB的可视化界面环境,建立了Delta机器人的仿真界面,为后续的进一步研究提供了仿真平台。

关键词： 机器人学   第二定律   文博士  

摘要： "昨晚我做了个梦。"LVX-1平静地说。苏珊·凯文一言不发,但她那因智慧和经验而满布皱纹的脸上,似乎闪过一丝细微的抽搐。"您听到了吗?"琳达·鲁旭紧张地说,"跟我刚刚告诉您的一样。"她是个身材娇小的年轻女子,有着深色的头发。此刻,她的右手不停地握拳又松开。凯文点点头。她平静地说:"艾弗克斯,从现在开始,你不能动,不能开口,也听不见我们说话,直到我喊你名字为

关键词： 并联机器人   滑模控制   动力学建模   机器人正解   机器人逆解  

摘要： Delta并联机器人是一类特殊的具有高速率、高精度、高承载力的工业机器人,由于其驱动原件少、结构简单紧凑,相比于传统的串联机器人具有更好的发展前景。由于该机器人为一种非线性、耦合的高速运动系统,因此常规的控制策略很难满足其高速运行需求,所以限制了其发展与推广。滑模变结构控制能够有效的解决非线性系统的控制问题,对系统参数不确定和外部扰动具有强鲁棒性。本文受串联机器人的滑模控制的启发,从机器人的动力学角度建模,提出了一种基于并联机器人动力学模型的双环滑模控制策略,旨在减小系统的稳态误差,克服高速运动下外部干扰以及外部参数摄动对机器人的定位精度的影响,使该系统具有良好的稳定性。本文首先对Delta并联机器人的机械结构进行分析,并从运动学的角度对该机器人的几何结构进行了合理的化简,结合运用解析方法,获得了该机器人的正、逆解的有效算法,并结合实物进行了验证。在运动学的基础上对该机器人的奇异性、任务工作空间进行了分析与规划。为了弥补运动学分析的不足,得到更精确的机器人模型,本文随后从逆向动力学角度对Delta并联机器人进行了建模分析,并对机械结构的质量分配等问题进行了较为深入的研究,在保证精度的情况下得到了动力学简化模型,使之能够用于控制器的分析与设计。在前三章节的铺垫下,本文设计了结合动力学模型的单回路滑模控制器与双回路的积分滑模控制器,并对机器人模型控制效果的进行了仿真,并将控制效果良好的后者用于Delta并联机器人实物控制实验。最后本文从实用性的角度出发,对机器人的抓取轨迹进行了优化,并结合控制策略对机器人实物进行实验。Delta并联机器人的实验表明,该机器人在本文所设计控制器控制下,在高速运行状态中具有良好的动态性能,并且能够很好地跟踪给定轨迹,满足工业环境的需求。因此,本文对高速、高精度Delta机器人的控制算法的研究具有一定的理论和使用价值。

关键词： 救援机器人   多体系统传递矩阵法   动力学建模   轨迹规划  

摘要： 随着救援机器人技术的发展与应用,其运动灵活性及智能化等方面的研究受到越来越多的重视。其中动力学模型的建立对于机器人的各种性能有着重要的影响,本文采用多体系统离散时间传递矩阵方法进行动力学建模。具体内容包括以下几个方面,结合实际灾难环境,初步设计一款营救机器人结构模型,对其进行动力学建模、数值仿真分析及轨迹规划等方面的研究。首先对救援机器人的功能进行分析,提出救援机器人的设计思路,即辅助救援人员将伤者带出灾难现场。结构模型包括以下几个主要方面:可以容纳伤员的舱体结构,利用传送带将伤者运到舱体内的转运结构,可以识别受伤者等功能的机械臂结构;底盘包括行走机构,传动方案及驱动电机等的选择;最后进行布局及确定整体的三维模型。采用多体系统离散时间传递矩阵法建立空间运动救援机器人的动力学方程,从多刚体系统动力学的角度,利用离散时间传递矩阵法,结合线性纽马克-β积分法和非线性函数,建立救援机器人的移动车体与机械臂整体的运动学与动力学统一模型。结合所设计的救援机器人,提取其基本参数。根据运动情况,讨论边界条件,并用MATLAB软件进行数值仿真研究,得到救援机器人在运动过程中各个关节位移、旋转角度、内力与力矩的曲线图,最后对机器人的运动进行力学特性分析。为验证传递矩阵法模型的正确性,应用D-H坐标法得到运动学模型的曲线,对其位移曲线进行比较,结果表明传递矩阵法所得结果正确。最后分析灾害现场的环境与救援任务,将任务进行划分,得到子任务。采用关节空间过路径点的三次多项式插值法,对理想情况下的一个子任务进行轨迹规划。利用MATLAB软件得到角度,角速度和角加速度关于时间的运动曲线。所得的曲线光滑,该方法具有可行性。

ISBN: (数字)9789814725248 ISBN: (纸本)9789814725231

摘要： This book provides state-of-the-art scientific and engineering research findings and developments in the area of mobile robotics and associated support technologies around the theme of assistive robotics. The book contains peer reviewed articles presented at the CLAWAR 2015 conference. The book contains a comprehensive collection of papers on legged locomotion with numbers of legs from two upward to multi-legs, which includes robots cable of climbing walls, poles, or more complex structures such as continuing the distinctive CLAWAR themes. There are also a strong showing of articles covering human assist devices, notably exoskeletal and prosthetic devices, as well as social robots designed to meet the growing challenges of global ageing population.

关键词： Structural dynamics  

摘要： The structural dynamics in Archwire-Bending process is critical to the orthodontic archwire bending robot. In this paper, structure of orthodontic archwire bending robot is analyzed. Transient dynamic of orthodontic archwire bending is analyzed using the transient dynamic module of ANSYS/Workbench software. Stress curve and distribution of orthodontic archwire, fixed die, rotation die and supported end of orthodontic archwire in the process of orthodontic archwire bending is obtained. The structural dynamics simulation lays the foundation for the structural design of orthodontic archwire bending robot. © 2015 SERSC.

关键词： 可重构模块化机器人   拓扑描述   运动学   动力学   轨迹规划   改进遗传算法  

摘要： 可重构模块化机器人是由一系列可以相互连接的智能化模块组成,通过模块自身结构和功能的重新组合重构成具有不同运动学参数和动力学行为的机器人系统以适应不同的工作要求。可重构性扩大了机器人的工作范围;模块化提高了机器人系统的容错能力和自动修复能力,同时降低了生产成本,可重构模块化机器人已成为机器人系统研究的热点。本文主要针对可重构模块化机器人单元模块的结构设计、拓扑构型表达、运动学正逆解、动力学方程自动生成算法、轨迹规划等问题开展了相关研究。设计了一种新型的可移动重构机器人的单元模块及对接机构,相邻模块具有12种连接方式,多个模块组成的机器人系统可实现各个方向的旋转自由度,增加了机器人构型的种类及功能。设计了一种新型的正弦加速度传动槽与插销式的对接机构,结构简洁、紧凑,控制方便简单,能够完成模块之间结构自锁紧,并能快速实现相邻模块可靠连接与断开。在分析单元模块拓扑结构的基础上建立两个模块空间位姿变换的数学描述表,推导了基于指数积公式的多支链机器人系统的正运动学方程。采用遗传算法求运动学的逆解,在传统遗传算法的基础上提出了“移民”策略和局部优化的改进方案,并以双支链构型为例,验证改进遗传算法的有效性。采用基于全局矩阵描述的递归牛顿-欧拉方法自动生成系统的动力学方程,并提出了基于两个模块空间位姿变换的运动方程自动生成算法流程。该方法具有一定的普适性,可应用于其它链式可重构机器人。最后以六个单元模块所组成的双支链构型为例,进行了自动生成运动方程的仿真计算,验证了该方法的可行性和有效性。最后,针对末端执行器运动轨迹问题,应用多项式插值函数拟合关节轨迹,推导出直线和圆弧的笛卡尔空间轨迹规划,根据插值点约束条件的不同选取对应的多项式进行轨迹规划,给出了直线轨迹规划的算法流程,并以具体构型为例给出了具体计算步骤。

关键词： medical robotics   rehabilitation robotics   surgical robotics  

摘要： The applications of robotics in recent years have emerged beyond the field of manufacturing or industrial robots itself. Robotic applications are now widely used in medical, transport, underwater, entertainment and military sectors. In the medical field, these applications should be emphasised in view of the increasing challenges owing to the variety of findings in the field of medicine, which requires new inventions to ease work process. The objective of this review paper is to study and present the past and on-going research in medical robotics with emphasis on rehabilitation (assistive care) and surgery robotics which are certainly the two main practical fields where robot applications are commonly used presently. The study found that rehabilitation and surgery robotics applications grow extensively with the finding of new invention, as well as research that is being undertaken and to be undertaken.