关键词： 并联机器人   冗余驱动   Lagrange法   动力学模型   滑模控制  

摘要： 并联机器人相对于串联机器人，具有刚度大、承载能力强、精度高、动态性能好及累计误差小等优点，已成为国内外学者的研究热点。驱动冗余对于提升并联机器人的各项性能研究提供了一种新的解决方案，因此对驱动冗余并联机器人的控制研究具有重要的理论意义和实用价值。\n 通常，针对并联机器人，基于运动学的控制方法难以直接考虑并联机器人复杂的动力学特性及各个关节和支链之间的耦合关系，难以满足并联机器人高性能要求，因此基于动力学模型的控制方法被提出。考虑到Lagrange法能以简单的形式求得复杂系统动力学方程且具有显式结构，本文采用Lagrange法推导出便于控制律设计和实现的并联机器人动力学模型。从建模角度，并联机器人是一个多变量、多参数耦合的非线性系统，不仅其动力学模型十分复杂，而且难以获得其动力学模型参数的准确值，因此所建立的动力学模型不可避免地存在不确定性。从控制角度，传统的动力学控制方法如增广PD控制和计算力矩控制一般不能有效地解决非线性系统的不确定性问题，而参数识别自适应控制，反推控制，智能控制等方法计算量较大，难以满足并联机器人的实时快速要求。滑模变结构控制是针对非线性不确定系统的一个行之有效的控制方法，该方法无需建立精确数学模型，对外部干扰及系统参数变化具有较强的鲁棒性，并且实现简单、响应快速。因此，本文提出并设计一种新型加权积分增益型指数趋近律滑模控制方法，利用滑动模态的形成，使控制系统对于不确定参数以及外界干扰具有良好的鲁棒性，同时，通过在趋近律的积分项中引入负的加权值，在保证并联机器人系统轨迹跟踪速度和精度的同时，有效降低起始阶段控制力的幅度并有效削弱输出驱动力的抖振。\n 本文首先阐述了并联机器人的发展历史和应用，同时对并联机器人运动学、动力学分析及其控制方法的研究现状进行了综述，并对冗余驱动并联机器人的研究现状进行了总结;然后，针对四自由度冗余并联机器人进行运动学分析和任务空间动力学建模，并利用MATLAB完成机器人位置逆解与动力学模型准确性验证;其次，介绍了四自由度冗余并联机器人所采用的“PC+运动控制卡”的分布式硬件系统;然后，基于所构建动力学模型，在任务空间内，提出并设计一种新型加权积分增益型指数趋近律滑模控制方法，利用Lyapunov函数理论证明所设计控制律的稳定性，利用MATLAB对所建立并联机器人动力学模型及所设计控制律进行仿真试验研究，通过与计算力矩控制、一般趋近律滑模控制进行仿真对比，其结果表明了所建立并联机器人动力学模型的正确性以及所设计控制方法的有效性。最后，利用VC++6.0完成对四自由度冗余并联机器人控制系统的软件设计，对人机交互界面各主要模块的设计进行了简要阐述并进行试验研究，试验结果表明在所设计控制器作用下四自由度冗余并联机器人具有良好的运动性能。

关键词： 机器人创意设计机械结构  

摘要： 本文介绍了亚太大学生机器人大赛国内选拔赛竞赛机器人的研制，阐述了竞赛型机器人的创意与机械结构设计，并以搬运木块手动机器人为研究对象对竞赛机器人的功能、特征、工作过程等问题做了较为详细的分析和研究。

关键词： 中间件   关节型机器人   动力学仿真   系统架构  

摘要： 随着欧、美、日、韩等主要发达国家高度重视机器人的发展而纷纷推出发展机器人的国家层面的战略规划，中国也已将发展机器人产业上升到了国家战略。在我国“十二五”规划中，高端制造业即“机器人与智能制造”，已被列入了战略新兴产业。但是，我国机器人产业的核心技术薄弱、市场份额和附加值低，尤其体现在广泛应用于智能制造和家庭服务等领域的关节型机器人的系统集成和应用开发上，而关节型机器人的动力学仿真系统的研究与开发则是其中的主要研究热点之一。另一方面，机器人的模块化和标准化技术可以实现机器人各功能组件之间的可重用与互操作，有效降低开发成本和难度，有利于促进机器人产业的规模化发展，已受到了世界各机器人发达国家的高度重视。机器人中间件技术是推动和实现机器人模块化和标准化的主要有效途径之一，针对基于中间件技术的组件化标准体系和系统集成技术的研究已逐渐成为新世纪以来机器人领域学术界和产业界的研究热点并受到广泛关注。本文以多自由度关节型机器人为研究对象，对关节型机器人的动力学仿真系统开发中所涉及的主要关键问题，即包括动力学仿真系统的组件化模型、机器人的模型简化和参数化虚拟装配、关节型机器人的动力学分析与控制以及基于中间件技术的系统集成与应用等进行了研究，实现了一套完善的基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统架构。本文的主要研究工作包括以下几个方面：\n （1）通过分析机器人动力学仿真系统各组件的接口特点以及相互之间的通讯要求，提出了基于RTC规范的机器人动力学仿真系统组件化模型 RDS-RTC，简化了组件状态变迁关系和其所支持的数据类型，相关的实验结果也验证了该组件化模型可以提高组件的执行效率和实时性等性能。\n （2）通过调研和分析现有仿真平台中所采用的三维模型技术或标准，提出了一种主要针对自建机器人模型的简化方法，其避免了复杂算法的计算，并能够显著提高模型的简化程度、增加模型的加载数量和缩短模型的平均加载时间。针对关节型机器人的三维场景图具有树形结构的特点，提出了基于Java3D的机器人参数化虚拟装配（PVA）方法，并以XML格式文件进行规范和保存。相关的实验结果验证了上述方法的有效性和实用性。\n （3）引入了旋量理论对关节型机器人进行运动学和动力学分析，并采用迭代方法的实现，使所建立的机器人运动学和逆动力学模型尽可能通用并且具有较低的计算复杂度。重点研究了在机器人控制、结构设计和驱动器选型等方面起到非常重要作用的逆动力学分析与控制问题，设计了基于RNEA的闭环逆动力学控制器，并利用RDS-RTC模型封装成控制器组件，进行了有关的对比实验研究，实验结果验证了所设计的逆动力学控制器具有较优越的轨迹控制性能。\n （4）提出了基于RTM中间件技术的分布式、可扩展的关节型机器人动力学仿真系统层次架构，包括初级抽象层、通讯层、高级抽象层和应用层等，并研究了与其相关的建模、实现和集成方法。通过以 Motoman-UPJ六自由度关节型机器人分别在关节空间和工作空间的轨迹控制情况下的动力学仿真实验系统，验证了所开发的机器人动力学仿真系统能够真实反映实际机器人的运动特性，并且具有较好的位置跟随精度，同时也进一步验证了该关节型机器人动力学仿真系统架构的有效性、可重用性和可扩展性。\n （5）针对面向类ITER D型腔维护的多自由度远程操作机器人，综合应用上述各方法，搭建了面向类ITER D型腔的远程操作维护机器人的动力学仿真系统与实验平台，通过大量的仿真和实验对比研究，验证了上述各方法以及本文所提出的关节型机器人动力学仿真系统的有效性。\n 通过使用本文所提出的基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统架构，可以实现一个分布式、模块化的关节型机器人动力学仿真系统，解决了关节型机器人在组件开发和系统集成等方面存在的瓶颈，避免了对机器人或实验人员可能造成的物理损伤，同时也可以缩短机器人系统的开发周期、加快机器人应用程序的开发，具有很好的实际应用前景。

关键词： 中国自动化学会   机器人竞赛   工业大学   探索者   湖南   赛中   人大   参赛队员  

摘要： 近期，从中国自动化学会机器人竞赛暨RoboCup中国公开赛组委会传来喜讯，由湖南工业大学于惠钧、肖满生老师带队指导，周楚刚、陈熙玮、吕诗如同学组成的“探索者一队”首战告捷，喜获二等奖。“探索者一队”系湖南工业大学机电信息工程教学部2013年首次组建，此次是首次参赛。为确保参赛队员在大赛中取得良好成绩，指导老师于惠钩、肖满生老师从参赛作品的设计、制作、安装，到控制策略、编程及调试等各环节对参赛选手进行了精心指导和策划，周楚刚、陈熙玮、吕诗如等参赛队员经过反复模拟、

关键词： 胶囊内窥镜   微型机器人   粘弹性本构   驱动器设计  

摘要： 胶囊内窥镜的出现和发展，为小肠疾病患者提供了有效而低痛苦的检测手段。然而，胶囊内镜同时也有低效、漏检的缺点，甚至存在一定的危险性，因此，现实需要发展胶囊机器人技术，赋予胶囊内镜在小肠内主动运动的能力。胶囊机器人技术目前遇到的发展瓶颈问题是驱动能力不足，这就提出了关于评价驱动器工作能力的问题，或者说驱动器的优化设计方法的问题。因此，首先必须对胶囊机器人与小肠的力学交互过程有科学、系统的认识。目前，对于医疗器械与小肠组织的力交互问题，一般的研究思路是简单测试二者交互摩擦力的大小，而对于两者交互的动态性能，特别是运动机理的动力学问题，尚无令人信服的研究结论，因而，当驱动力大小和给力形式发生改变后，胶囊机器人的运动性能将如何变化，对此问题尚无理论研究。本研究通过建立动力学方程来刻画胶囊机器人在肠道中的运动，定量回答上述问题，为胶囊驱动器的优化设计提供理论基础。研究内容按思路划分，大致包括两大部分:第一部分是对小肠组织的材料力学行为的研究，包括通过实验确定粘弹性本构模型，和通过实验寻找小肠组织与胶囊外壳发生相对滑移的临界条件;第二部分是对胶囊与小肠之间的力学交互行为进行理论分析，包括胶囊的尺寸、外形与临界阻力的数量关系，以及胶囊启动过程中的动力学问题。第二部分研究结论的得出充分利用了第一部分的研究成果，而且这两部分的核心内容都是原创性的贡献。主要研究内容包括：\n ⑴建立小肠的粘弹性本构模型。由于小肠对胶囊运动的阻力与时间相关，即小肠组织具有粘弹性，因此，本研究安排了两个实验对此进行研究。一是DMA(Dynamicas Machanical Analysis)测试，结果显示小肠的粘弹性具有非线性的特点。通过实验作出的应力-应变滞回曲线的倾斜角随应变幅度发生了变化，说明小肠在受迫作剪切振动时，其粘弹性非常复杂，仅用一组线性粘弹性参数无法刻画其粘弹性的全貌。二是应力松弛实验。为了得到可靠的实验数据，该实验经历了一次方案的改进，最终结果得到了空肠和回肠组织经受剪切加载时的五元件粘弹性模型参数表，这些参数被直接使用在后续研究的动力学计算中，确保研究结果具有现实的工程意义。应力松弛实验的结果同样显示了小肠组织具有非线性粘弹性。\n ⑵研究胶囊与肠壁之间发生滑移的临界条件。胶囊刚开始运动时，肠壁的剪切形变较小，胶囊外壳与肠壁之间仍然保持接触状态，而维持接触状态的原因是由于二者之间存在摩擦力。该摩擦力的最大值是确定两者发生相对运动的临界条件，而计算最大静摩擦力的关键是确定接触面上的静摩擦力系数。为了得到尽可能精确的结果，本研究先后安排了两个实验，分别独立地对静摩擦系数进行了测试。最终结果显示空肠和回肠的表面摩擦性质区别不大，去除肠液后，肠壁与聚碳酸酯材料之间的静摩擦系数大约为0.03。上述实验的开展为关于胶囊机器人在肠道中的运动性能的研究提供了可靠的基础。随后，本文分别就胶囊机器人在准静态下的受力情况和启动过程中的动力学问题进行了深入研究。理论上，胶囊机器人在一段确定的肠段中作准静态运动时，所受到的阻力由其外部形状和尺寸大小确定。本文提供了一种计算该阻力的严谨分析方法:首先采用Cialleta超弹模型，列出胶囊外壳各接触面上的环向应力分布表达式，然后将该应力对接触面积分，分别求解接触面上的张力和摩擦力，并将其相加得到总的阻力。结果显示，影响阻力的主要因素是胶囊长度与胶囊外径-小肠管内径之比，而胶囊头部的摩擦力对总阻力的贡献非常小，以至于可以忽略不计。这就为胶囊外形的优化设计提供了理论依据。\n ⑶通过建立动力学方程，对胶囊的启动问题进行了深入的研究。该方程中的应力项以前文所得的五元件粘弹性本构模型来表示，方程的成立范围以前期研究得到的滑移临界条件为判别标准。将动力学方程改写为状态方程之后，借助“速度-位移”相平面来观察胶囊的启动的方法，为研究带来了方便。考虑到粘弹性材料的加载历史对应力的影响，研究给出了迭代计算应力的方法。案例计算的结果显示了驱动力的大小和力脉冲宽度与胶囊启动加速过程之间的数量关系。应用该分析方法提出的安全控制的策略，同时也是能量最省的控制方案。本研究所包含的内容，构成了关于胶囊机器人外形设计及运动能力之研究的完整系统。本文的研究方法和结论，初步回答了关于胶囊机器人驱动器的优化设计问题，具有较强的工程实践意义，其中，有关小肠组织的力学建模和器械交互摩擦系数的实验研究，本身也具有独立的科学探索价值。

关键词： 输电线路   除冰机器人   大倾角   动力学仿真  

摘要： 以大倾角输电导线上的绝缘子作为越障对象,对除冰机器人的行走越障进行可行性分析,并对除冰机器人的关键部件进行优化设计,采用Pro/E建立除冰机器人的三维模型,并将模型导入ADAMS中进行动力学仿真分析,仿真结果为机器人各关节的动力参数优化提供了理论依据。通过样机试验表明除冰机器人能够在大倾角导线上行走并成功跨越绝缘子。

关键词： 仿人机器人   Featherstone算法   动力学   牛顿—欧拉法  

摘要： 机器人作为新时代机电一体化的产物，已经运用于生产的各个领域中，而且，随着机器人技术的日趋成熟，必将给人类带来更大的变化。动力学是机器人技术中最重要的一门学科，而动力学算法极大程度的影响了机器人响应的快速性和准确性。目前，常用的机器人动力学算法有牛顿—欧拉法、拉格朗日法等。\n 本文介绍的Featherstone法是基于六维空间向量的一种新的动力学算法。六维空间向量是由表达线向量和角向量的两个三维向量结合构成，描述更加方便，简洁。在六维空间里，表示系统运动状况的各个参量也会变的更加简洁。\n 运用Pro/E建立仿人机器人的三维模型，给出了刚体在六维空间向量中的运动方程，并分析了有约束刚体和多刚体的动力学问题。并定义了六维空间向量中的运动子空间和力子空间，而且对不同的约束有不同的运动子空间和力子空间。通过对刚体系统中各个刚体以及关节的编号和定义可以得出系统的几何模型和关节模型。\n 将牛顿—欧拉法进行改进，用六维空间向量来代替其中的三维向量，并联合之前的几何模型和关节模型，得出了Featherstone动力学方法。其中，逆动力学算法其实就是两次递推。一次是向外迭代的求得每个刚体的速度和加速度，一次是向内迭代求每个刚体间的相互作用力。正动力学分别可以通过惯量矩阵法和繁殖法来推导得出。另外，将动力学算法编辑为Matlab程序，使得计算更加的方便，高效。\n 最后，通过对机器人下蹲动作的正动力学和逆动力学计算，验证了Featherstone算法以及编程的正确性。

关键词： 移动机器人   安全导航   行为动力学方法   迭代最近点算法   可感知速度障碍物  

摘要： 研究机器人行为动力学方法的导航问题,该方法在动态环境下存在碰撞危险。提出一种改进迭代最近点算法,可以在机器人导航过程中实时获取障碍物的位姿变化。根据位姿变化将障碍物分为静止障碍物、移动障碍物。结合环境信息的不完整性和运动障碍物速度信息,提出可感知速度障碍物(perceivable velocity obstacles,PVO)概念,该概念定义的障碍物是机器人感知障碍物区域沿其相对运动方向膨胀得到的避障区域,是一种虚拟障碍物。将PVO作为障碍物应用于行为动力学方法完成机器人导航控制。所提出的改进方法在不改变原有行为动力学方法的基础上,增加了安全导航功能,简单易用。仿真实例证实,在动态环境下,改进的行为动力学导航方法比经典的行为动力学导航方法更加安全。

关键词： 专用仿真平台   单腿机器人   动力学模型   周期轨迹生成   轨迹跟踪  

摘要： 相对于传统的轮式、履带式机器人，腿式机器人具有更强的对复杂环境的适应性，因此近年来其在移动机器人研究领域愈发受到重视。\n 本文为了更直接地理解腿式机器人的本质运动规律，以伸缩式单腿跳跃机器人为研究对象，对单腿机器人的动力学建模、周期轨迹生成以及轨迹跟踪问题进行了研究。针对上述研究的实验需求，本文通过绑定动力学引擎和图形渲染引擎搭建了仿真实验平台的核心模块，并结合多语言支持接口等周边模块构建了专用的仿真平台以满足上述基本需求，完成了轨迹跟踪的验证工作。论文主要完成的工作有:\n 首先，以腿式机器人仿真平台具体需求为出发点，结合PhysX动力学引擎以及OpenGL图形渲染引擎实现了机器人的动力学计算和3D场景显示功能，并实现了多语言接口模块以提供对C++和Matlab语言的支持。\n 之后，文章将本文的主要研究对象——单腿机器人系统的动力学建模任务分为了腾空阶段、支撑阶段以及碰撞过程建模三个子任务，并着手解决了建模过程中遇到的两个关键问题:碰撞模型以及支撑阶段地面支撑力的模型，并在此基础上给出了单腿机器人系统各阶段的动力学方程。然后，文章采用了假设验证以及同PhysX引擎对比实验的方法验证了动力学模型基本运动趋势的正确性。\n 最后，文章通过分析系统能量变化规律给出了系统驱动力/力矩构成的基本形式，并基于单腿机器人系统动力学模型搜索出了一组系统周期运动的轨迹。基于上述周期运动轨迹，文章分别给出了PD控制器及轨迹修正控制器以控制仿真平台下的单腿机器人系统对目标轨迹进行跟踪，并对各控制器的跟踪效果进行了比对并分析了跟踪效果不同的原因。

关键词： 并联机器人   动力学建模   控制策略   逆运动学分析   轨迹跟踪  

摘要： 相对于传统的串联机器人，并联机器人具有结构紧凑、动态特性好、轨迹跟踪精度高、运行累计误差低等特点，这些特点很好的弥补了串联机器人的不足。目前，并联机器人的应用越来越广泛，少自由度并联机器人的研究更是吸引了大量学者的关注。本文以冯志友教授提出的含串联输入支链2UPS-RPU并联机器人为研究对象，对其运动学、动力学和控制策略等进行了深入的研究。\n 首先，介绍了2UPS-RPU并联机器人的结构特点，对并联机器人进行逆运动学分析，得到机构的速度及加速度方程。基于Lagrange法建立了该并联机器人的动力学模型，给出矩阵形式的动力学方程，并得出并联机器人的状态方程。\n 其次，基于2UPS-RPU并联机器人的状态方程，分别运用计算力矩控制法和基于动态规划的最优理论控制法对机器人系统进行控制，并利用MATLAB对2UPS-RPU并联机器人系统进行计算力矩控制和最优控制的动力学控制仿真，得到了有外界扰动影响时对系统控制的仿真结果，最后对比分析了这两种控制方法的抗干扰能力和实际控制效果。\n 最后，针对2UPS-RPU并联机器人在动力学建模时存在的未建模环节以及机器人在运动时所受到的外部干扰等诸多不确定性因素，提出应用鲁棒控制律对并联机构动平台进行运动轨迹跟踪控制，并运用Simulink进行仿真实验验证。仿真实验结果表明，鲁棒控制律对诸多不确定因素所产生的最坏影响有很好的抑制作用，可确保机构动平台具有较高的轨迹跟踪精度和较快的响应速度。