关键词： 自动配线   偏心模型   误差分析   刚体动力学  

摘要： 随着互联网业务的高速发展,光纤已经大范围的应用到通信领域中,与传动线缆配线一样,光纤配线不仅会花费大量的劳动力与劳动时间,还会产生严重的线缆缠绕现象,不利于线缆的管理与再应用。因此,能够快速的、准确的、避免缠绕的新型网络配线机器人成为市场的主要需求之一。目前,国外在此领域内已经有多种自动配线机的产品,国内在此区域内尚属于空白,因此为了弥补国内在此方面的空白,本课题组提出了一种新型的圆周型自动配线机器人,并以此新型的自动配线机器人为基础,展开了相关的研究工作 首先根据提出的配线数学模型,建立了新型样机,而其中样机的收线盘柱关系到自动配线机的线缆管理,设计的好坏会严重影响机械手的操作精度,因此本文对光纤收线盘柱进行了设计和改进,并提出了一种偏心布线模型,在满足需求的前提下大大降低了成本,试制试验结果良好。 其次,根据设计的配线机模型,分析了此配线机的误差产生的主要因素：齿轮传动侧隙的影响、齿轮传动轴扭转变形的影响以及大齿轮圈径向跳动的影响。通过对这三种影响因素的仔细分析,建立了相应的误差分析方程,得到了相关的误差影响因子及相应的影响结果,为配线机的位置精确控制提供了详细的数据分析基础,为位移误差的补偿控制提供了理论支持。 最后,详细分析了此配线机的动力学特性。根据配线机器人的跳线运动过程,作者把配线机器人的运动分为了齿轮传动和机械手运动两个相对独立的运动模型。齿轮传动中采用了等效刚体动力学的方法,建立了准确的等效动能方程,求解了驱动电机的力矩随着负载的变化而变化的关系方程,并运用SolidWorks中的Motion分析了其运动特性。机械手的运动采用牛顿力学方法,求解了机械手运动的位移方程,为机械手的位移控制提供依据。 本论文通过以上的三个主体部分,详细地分析了此种配线机器人的误差与动力学特性,得到了相关的误差方程和动力学方程,为配线机器人的自动控制提供了详细的理论基础。同时,仔细分析了配线机器人误差产生的原因,提出了减小误差的办法,并对动力学方程进行了求解,同时采用适当负载,为电机的选型以及系统的运载速度规律做出了详细的参考。

关键词： 柔顺关节   并联机器人   动力学   趋近律滑模控制  

摘要： 对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究.基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程.为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性.仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性.

关键词： 索牵引并联机器人   动力学建模   仿真分析  

摘要： 索牵引并联机器人具有承载能力强、结构紧凑、工作空间大等优点，其不足之处是绳索只能受拉不能受压而必须采用冗余驱动。为了进一步研究高速柔索牵引摄像机器人的机动性与稳定性，本文在动力学理论分析的基础上对四索牵引摄像机器人进行了动力学建模、轨迹规划、不同轨迹的仿真分析，旨在提升索牵引并联机器人的工作性能和解决实际工程应用的技术难题。 首先，研究并推导了悬索的悬链线方程，在此基础上建立了四索牵引摄像机系统的动力学模型，并给出了该驱动冗余系统索力最小二乘解的迭代算法。 其次，研究了柔索和滑轮的不同建模方法，利用动力学仿真软件ADAMS建立了四索牵引空间移动机构的虚拟模型。 最后，在典型轨迹下分别采用位移驱动和索力驱动两种方式对模型进行动力学仿真，通过分析仿真结果研究影响末端执行器运动精度的不同因素。

关键词： 并联机器人   运动学   动力学   刚度   最小固有频率  

摘要： 本文以中电集团创新基金项目“晶体自主减振技术研究”为背景,并且为之设计了三自由度微动并联机器人以满足其要求。本文以该三自由度微动并联机器人为研究对象,建立了其运动学数学模型、动力学数学模型和虚拟样机模型,通过对比分析证明建模的正确性,并且分析了该三自由度微动并联机器人的运动学和动力学特性。最后通过对其结构进行模态分析,确定其最小固有频率,为其伺服带宽确定提供参考。论文的主要研究工作总结如下:(1)设计了并联机器人的构型,并且根据机器人的构型分析了并联机器人的自由度,建立了三自由度微动并联机器人的运动学数学模型和虚拟样机模型,通过仿真算例验证了两个模型的正确性,并且根据仿真结果给出了有关于运动规划方面的建议;分析了限制并联机器人工作空间的结构尺寸因素,并且根据运动学正解和限制因素求出了并联机器人的工作空间。(2)采用拉格朗日方程法建立三自由度微动并联机器人的动力学数学模型,同时建立了该机器人的虚拟样机动力学模型,分别使用上述两种方法针对同一仿真算例进行了仿真分析,并且对比两种方法的仿真结果得知两种方法所得结果吻合良好,证明了所建立的三自由度微动并联机器人的动力学数学模型和该机器人的虚拟样机动力学模型的正确性;根据所建立三自由度微动并联机器人动力学数学模型对影响该机器人动力学特性的因素进行了分析并且根据分析结果对该并联机器人的驱动电机的选择提出了相应的建议;建立了三自由度微动并联机器人的刚度模型,从刚度的角度为驱动电机的选择提供了依据。(3)确定了以三条路径(从工作空间横截面中心至其边缘;沿工作空间横截面边缘中点到横截面顶点;沿竖直轨迹由高到低)对工作空间内三自由度微动并联机器人的结构最小固有频率进行分析;建立了动平台处于不同位置时对应的三自由度微动并联机器人的结构模型,并且在ANSYS中进行模态分析,得出动平台处于不同位置时对应结构的最小固有频率;最后分析在工作空间中该三自由度微动并联机器人结构的最小固有频率分布情况,确定了该三自由度并联微动机器人在其工作空间中结构的最小固有频率,为确定该三自由度微动并联机器人频带宽度提供了参考。

关键词： Legged Robot   Robots ?– Motion  

摘要： The objective of this study is to propose control strategies for legged robots to walk and run naturally like humans and animals. To achieve this goal, we use the spring-mass model for the legged robots to be able to create the same dynamics in the leg as humans and animals. In this way, understanding the natural dynamics of the system plays the central role and the strategy is to manipulate the dynamics of the system in the favor of final goals. This research elaborates to follow the template-anchor-robot notion, therefore the process starts with reduced order model (template) and then shows the validity of the control policy on the full order model (anchor) and finally implements the policy on the *** study starts with analyzing the dynamics of the bipedal spring-mass model to find the workspace and the possible limit cycles in each energy level. After that, a deadbeat control strategy is proposed to pinpoint the system to the desired limit cycle. It is shown that two steps are necessary and sufficient for the deadbeat control but it turned out that the sensitivity of the system to the touch-down angle is a challenging issue for implementing on real robots. Therefore, unlike the deadbeat control technique that pinpoints the system to the desired states, four swing leg control policies are proposed to gradually approach the desired limit cycles. The large basins of attraction of these proposed control policies show that the system can be reliably controlled to the desired gaits after large perturbations. The implementation on the full order model of the robot as well as the robot itself confirms this conclusion. Furthermore, a time-based feed-forward control strategy for the stance phase of the bipedal spring-mass model is combined with one of the proposed swing leg control policies to stabilize the model and manages the energy of the system. The simulations show that this technique can stabilize the model and manages the energy level of the system and the ra

关键词： 神经元   尖峰神经元模型   多巴胺   强化学习   学习能力   突触强度  

摘要： 随着科技的发展机器人逐渐从工业扩展到服务性行业,相比于工业机器人的结构化环境,服务性机器人由于所处的环境是复杂多变的,所以对于机器人的要求就会更高。本文在国家自然科学基金项目的资助下,借鉴生物学的智能来研究机器人的学习方法,具有较高的研究价值。主要内容包括： (1)分析比较了第三代与之前的神经元模型,选择了适合本文的尖峰神经元模型。深入的对尖峰神经元的三种代表性模型进行仿真并比较各自的优缺点,在以较小的复杂度达到较高的生物学的真实性基础上选择了适合本文的Izhikevich模型。重点讨论了Izhikevich模型,对常见的6种尖峰进行仿真研究,深入了解了模型中各个参数的作用。 (2)研究了尖峰神经元群在时间和空间上的整合问题,并通过仿真实验分析了突触前神经元数目对突触后神经元的影响。通过改变突触前神经元刺激的时间间隔,给其输入一个较大刺激(电流)使其产生尖峰,研究了外部刺激的时间间隔对突触后神经元的影响,仿真结果表明,时间间隔过大时,突触后神经元不会产生尖峰。研究了多巴胺在条件反射过程中的活动特性以及对突触可塑性的调节作用。利用Izhikevich模型探讨了多巴胺调节的LTP、LTD,通过仿真实验研究了多巴胺在学习过程中的作用,探讨了突触强度与多巴胺延时释放时间之间的关系。 (3)在simbad仿真平台上,利用强化学习思想把尖峰神经元模型应用到机器人学习中。设计了机器人走迷宫实验,编写仿真程序,通过多次模拟训练提高机器人的学习能力,仿真结果说明了该方法的有效性。 (4)研究了影响机器人学习能力的因素,通过改变迷宫复杂程度以及构成传感器信息处理单元和控制器的神经元数目来研究机器人的学习能力,利用此实验验证了延时时间对机器人学习能力的影响。 本文相关研究成果为今后研制具有更高智能和生物学基础的机器人具有积极地意义。

关键词： 空间机器人   变拓扑结构   动力学建模   自重构轨迹规划   参数辨识  

摘要： 随着航天技术的发展，未来的在轨服务任务越来越复杂，要求越来越高，传统的单臂空间机器人已不能满足要求，而采用多个机器人又增加了系统的复杂性和成本。因此，自重构多分支机器人将起着越来越重要的作用。然而，由于系统拓扑结构多变，为动力学建模及轨迹规划带来了巨大挑战。基于此，本文开展了自重构多分支空间机器人系统的变拓扑动力学建模、可重构轨迹规划及动力学参数辨识等的研究。 自重构多分支空间机器人在轨执行任务的过程中，具有自由飞行多臂、单足-多臂、多足-单臂等多个工作模式，拓扑结构不固定。为分析其动力学特性并为轨迹规划与控制提供依据，建立了其变拓扑动力学模型，并开发了C语言计算程序。利用关联矩阵和通路矩阵描述了不同工作模式的拓扑结构，推导了统一的状态方程，采用Runge-Kutta-Gill积分法进行数值求解。当拓扑结构发生变化时，自动改变相应的关联矩阵和通路矩阵，同时更新状态方程所对应的广义力和状态变量，实现了不同工作模式下动力学模型的自重构。为提高动力学模型的计算效率，开发了基于C语言的动力学求解程序，并与ADAMS软件所建立的动力学模型进行比较，结果表明了所建模型的准确性。 为确保多分支机器人结构上的自重构，将顶层任务规划与底层轨迹规划结合起来，提出了多级自重构轨迹规划方法。根据空间任务的特点，将机器人所需要执行的任务分为自身接触与非自身接触两类，对各种工作模式进行相应的动作划分，综合了动作的冗余部分，为底层轨迹规划减少了工作量。底层规划算法设计成多个可配置算法模块的组合，这些模块包括逆运动学模块、关节空间插值模块和正运动学模块。顶层任务规划与底层轨迹规划的结合，实现了多分支机器人规划算法的自重构。 由于自身燃料的消耗，或捕获了未知目标，整个空间机器人系统的动力学参数发生了变化，为轨迹规划和控制带来了不利影响。因此系统的参数辨识极其重要。本文提出了基于角动量守恒和PSO优化的方法，实现了无力矩传感器下整个系统动力学参数的辨识。空间机器人抓持目标后，将各关节锁死，使整个系统等效为一单刚体，通过执行姿态及轨道机动，辨识出等效单体参数。再将机械臂的一个关节打开，把目标与空间机器人分别等效为两个刚体。利用动量守恒定律，推导了动力学方程。通过所打开关节运动，结合已辨识出的等效单刚体结果，实现了两等效体质量特性参数的辨识。辨识值与真实值对比表明了所提方法的有效性。 为对本文所研究的自重构轨迹规划方法进行仿真验证，开发了基于OSG的一体化仿真系统。该系统由3D几何模型、轨迹规划模块、控制模块及动力学模型组成，利用该系统开展了对空间机器人典型任务的轨迹规划仿真验证。

关键词： 绳牵引并联机器人   强迫振荡   动力学   机电耦合系统   控制  

摘要： 为了实现对低速风洞中飞行器模型的5种单自由度强迫振荡运动的控制，论文采用理论分析和实验研究相结合的方法，展开绳牵引并联机器人系统的动力学和飞行器模型的运动控制研究，取得了一些有意义的结果和结论，如下： 首先，对用于低速风洞强迫振荡实验的绳牵引并联机器人的机构系统的工作原理进行说明，采用局部坐标系和全局坐标系描述该机构系统的构型参数关系;在此基础之上，分析了该机构系统的运动学问题，为进行系统动力学分析做准备。由于绳索的弹性对驱动控制力和飞行器位姿不可忽略，本文将绳索视为无阻尼线性弹簧。为了满足强迫振荡试验的频率要求，通过对绳牵引并联机器人系统的机构系统进行振动特性分析，研究机构系统的固有频率，以避免共振，得到满足强迫振荡试验要求的绳索的刚度参数，为实验样机的绳索参数的选择提供理论依据。 其次，对绳牵引并联机器人机械系统进行动力学分析，该系统是一个复杂的非线性系统，求解困难，于是采用专业的多体动力学软件ADAMS建立绳牵引并联机器人的机械系统动力学模型，首次利用ADAMS软件建立以线性弹簧理论为基础的绳索模型，对该机器人机构系统进行刚柔耦合多体动力学建模。采用ADAMS软件进行动力学仿真时，飞行器模型能够基本实现期望的振荡运动，但是运动轨迹存在明显的波动和滞后。 再次，为了实现对低速风洞中进行飞行器模型强迫振荡运动的精确控制，交流伺服驱动系统对末端运动控制效果的影响不能忽略，建立了该机器人电机控制系统模型，并提出了基于永磁同步电机矢量控制的PI控制策略。由于绳牵引并联机器人动力学系统是一个高度耦合的、本质非线性系统;将基于ADAMS软件所建立的机械系统与基于MATLAB/Simulink建立的电机驱动控制模型联合起来构成机电耦合系统，再采用MATLAB/Simulink建立基于PI控制策略的机电耦合系统的控制仿真模型并进行仿真研究;控制仿真结果表明，绞盘转角能够较好地跟随期望的角位置指令，飞行器模型的运动轨迹接近期望轨迹，取得了良好的仿真结果。 最后，搭建了该绳牵引并联机器人的实验样机，由于实验条件的限制，仅采用位置控制模式对该机器人系统进行运动学级控制研究。实验结果表明飞行器模型的实际轨迹与期望轨迹存在一定的差距;并对该误差进行分析，为后续的改进工作指明了方向，具有一定的实际意义。

关键词： 丝网印刷油墨   移送机器人   负载转矩   动力学方程  

摘要： 近年来,工业机器人的发展十分迅速,在各个领域被广泛应用。本课题应企业要求,设计了一种四自由度移送机器人机构,该机器人作为丝网印刷生产线上的移送辅助设备,用于移送盛有印刷油墨的容器。然而该移送机器人在运动的过程中出现关节驱动力矩不足,并且,由于刚度问题,该机器人在运动过程中发生明显的振动和颤抖。因此,本文对该丝网印刷油墨移送机器人进行分析与研究。　　本课题完成的主要内容如下:　　(1)通过Pro/E建立了此丝网印刷油墨移送机器人的三维模型,计算了机器人在典型位置运动过程中肩关节和肘关节处的动态负载转矩,并选用了合适的驱动电机。　　(2)用D-H法对该机器人进行运动学分析,求解出机器人的末端执行器(手掌)相对于参考坐标系(肩关节处)的位姿矩阵,并得出手掌末端在参考坐标系下的速度、加速度解析式。　　(3)通过有限元方法建立了机器人的动力学模型,经过Matlab程序编程计算,得出丝网印刷油墨移送机器人的动力学方程表达式。　　(4)通过有限元仿真软件ANSYS对移送机器人的整机进行动力学计算仿真分析,得出机器人前七阶模态固有频率和振型云图,并从振型图中分析了在每阶固有频率下机器人的振动情况,指出机器人的刚度薄弱环芾。　　(5)用实验模态分析的方法对所研究的丝网印刷油墨移送机器人进行了动力学实验分析,得出了移送机器人整机前七阶的固有频率及振型,并对比有限元仿真与实验的分析结果,验证了有限元计算机仿真方法的可行性与正确性,然后确定出移送机器人的刚度薄弱环节部位,最后给出优化建议,并通过仿真证明了优化结果的合理性。

关键词： 机器视觉   摄像机标定   机器人动力学   护理机器人   轨迹跟踪  

摘要： 基于机器视觉的机械手运动控制是一种利用视觉信息对机械手运动实施反馈控制的重要方法，其学术基础涵盖了机器视觉、图像处理、机器人运动学、机器人动力学、控制理论等研究领域。本文首先综述了机器视觉发展现状，并详细分析研究了摄像机标定算法，论述了视觉伺服方法中最基本的动力学建模方法，利用机器人动力学研究了护理机器人的轨迹跟踪，提高了其灵活性、效率、精度和速度。 通过对摄像机成像原理的分析和理解，结合当前的摄像机内外参数以及畸变系数的标定模型和方法，为了使模型图像坐标和实际图像坐标残差减到最小，在最新理论的基础上，提出了基于改进粒子群优化的摄像机标定算法，简化了机械手摄像机的非线性标定过程，并通过实验验证了该方法的可行性。 从保证机械手系统渐近稳定性的角度出发设计一种基于RBF神经网络的自适应控制器的轨迹跟踪算法，考虑到其工作环境的外部干扰因素对系统控制造成的影响，进行了护理机器人机械手的轨迹跟踪算法研究。在控制系统中加入RBF神经网络自适应补偿算法的控制器，RBF神经网络在一定程度上消除不确定因素对系统控制造成的影响，自适应估算不确定性和神经网络的重构误差。从而提高系统的抗干扰能力、定位精度和系统鲁棒性，利用加权矩阵生成的李雅普诺夫函数证明渐近稳定。使其能准确地跟踪轨迹，通过动力学建模，利用Matlab仿真验证其轨迹跟踪效果。用数据拟合出的运动轨迹曲线结果得出误差，提高了跟踪精度，无论是超调量还是稳态误差都有明显的改善。并进了系统硬件选型与实现。对洗头部分机械手导入提出的标定算法和轨迹跟踪算法进行控制，使顶棚式头罩在护理过程中实现高速、高精度的跟踪人的头部，利用MFC完成人机交互界面设计，保证整个运动控制系统安全稳定运行，简单易操作。