关键词： 船体清刷机器人   水动力学性能   CFD仿真   水动力试验研究  

摘要： 近年来,随着海洋资源的大力开发,水下机器人成为研究的热点问题,适用于各种领域的水下机器人开始广泛得到发展。船舶行业的快速发展,又使船体表面附着污损物的清刷越来越受到关注。本文研究一种可以实现自主清刷的水下机器人,对机器人的结构进行设计,并在此基础上进行水动力学的仿真与分析。通过水动力学试验的测试,验证与仿真数据的吻合度。本文的主要研究内容如下:为了得到更适用的船体清刷机器人,首先对机器人的国内外现状进行了概述,指出现有清刷机器人采用的吸附清刷方式及其局限性。在阐明机器人工作原理后,根据工作环境对各部分方案选择,设计出机器人的整体结构,包括吸附机构、行走机构和清刷机构的设计。其次,对机器人的外型机构进行了水动力学的研究。在确定出边界条件和湍流模型的参数下,采用Fluent软件将简化后的机器人模型进行水阻力的仿真计算。通过分析仿真结果,提出外型结构的优化方案。将优化前后的外型结构对比分析,验证优化后的阻力较小。之后,对机器人的水下稳定性进行研究。船体清刷机器人在水下作业需要保证吸附稳定性,通过对静止和行走状态的力学模型分析,确定出所需的最小吸附力。在理论模型分析下,并借助CFD软件对吸附机构进行仿真研究,确定出满足最小吸附力的条件。为保证姿态稳定性,对机器人的重心与浮心进行计算,通过理论计算来调整重心与浮心的位置,实现机器人的稳定性工作。最后,搭建试验平台,对做出的实物样机进行水动力学试验测试。试验测试包括水阻力测试、机器人水下行走速度测试、吸附力测试和整体性能测试四部分。通过对前三部分的测试,验证前面章节理论模型和仿真数据的吻合度;对机器人整体性能测试,研究各部分结构在实际清刷中的作用及其效果。在本文研究的基础下,可验证出机器人的理论仿真与试验的吻合度好,同时,为后期船体清刷机器人进一步改进奠定了理论基础和技术依据。

关键词： Cognition   Autonomy   Artificial intelligence   Robotics  

摘要： Purpose - This paper aims to provide an insight into the use of artificial intelligence (Al) in robotics. Design/methodology/approach - Following an introduction to Al, this paper provides an overview of the application of Al to robotics. Mobile robots are then discussed, together with the various Al techniques employed and under development. The application of the Open Cog artificial general intelligence architecture is then considered and the paper concludes with a brief discussion. Findings - This shows that many Al concepts are being applied to humanoid, mobile and other classes of robots. Significant progress has been made and many innovative Al strategies are being studied which often seek to emulate aspects of human intelligence. Much development activity is being driven by military interests but as yet, the level of intelligence exhibited by the most advanced robots is at best equivalent to that of a very young child. Several academics argue that more rapid progress will arise from a closer integration of Al and robotic research. Originality/value - This article discusses the role of Al in robotics and provides details of number of robotic developments involving a range of Al concepts.

关键词： 柔性关节   动力学建模   跟踪控制   勒让德伪谱法   振动抑制  

摘要： 针对柔性关节空间机械臂动力学建模与仿真问题,以空间三维四连杆柔性关节机械臂模型为研究对象,考虑扭转弹簧非线性刚度系数、惯性耦合等因素,应用Lagrange方程建立动力学模型。通过由连续线性反馈环节组成的PD控制器,仿真验证了推导模型的正确性,同时分析比较了不同关节刚度系数的取值对于系统稳定性能的影响。当刚度系数较小时,关节柔性则比较大,对系统的稳定性十分不利;当刚度系数较大时,关节柔性则比较小,更有利于系统的稳定性。振动抑制问题是柔性关节空间机械臂控制的一个难点。在上述研究基础之上,通过求解能量最优的非线性控制问题,较好地解决了这一难题。通过Legendre伪谱法,将复杂的两点边值非线性最优控制问题转换为对应的非线性规划问题,然后利用SNOPT进行了求解。仿真结果表明,与传统控制器相比,该方法能够顺从关节柔性的影响,机械臂运动轨迹平滑,较好地抑制了由柔性引起的振动现象。由于消除了残余振动,同时也确保了机械臂末端的控制精度。

关键词： Cardiovascular exercise   constant load testing   incremental exercise testing   human-in-the-loop   non-ambulatory  

摘要： Purpose: The majority of post-stroke individuals suffer from low exercise capacity as a secondary reaction to immobility. The aim of this study was to prove the concept of feedback-controlled robotics-assisted treadmill exercise (RATE) to assess aerobic capacity and guide cardiovascular exercise in severely impaired individuals early after stroke. Method: Subjects underwent constant load and incremental exercise testing using a human-in-the-loop feedback system within a robotics-assisted exoskeleton (Lokomat, Hocoma AG, CH). Inclusion criteria were: stroke onset <= 8 weeks, stable medical condition, non-ambulatory status, moderate motor control of the lower limbs and appropriate cognitive function. Outcome measures included oxygen uptake kinetics, peak oxygen uptake (VO(2)peak), gas exchange threshold (GET), peak heart rate (HRpeak), peak work rate (Ppeak) and accuracy of reaching target work rate (P-RMSE). Results: Three subjects (18-42 d post-stroke) were included. Oxygen uptake kinetics during constant load ranged from 42.0 to 60.2 s. Incremental exercise testing showed: VO(2)peak range 19.7-28.8 ml/min/kg, GET range 11.6-12.7 ml/min/kg, and HRpeak range 115-161 bpm. Ppeak range was 55.2-110.9W and P-RMSE range was 3.8-7.5 W. Conclusions: The concept of feedback-controlled RATE for assessment of aerobic capacity and guidance of cardiovascular exercise is feasible. Further research is warranted to validate the method on a larger scale.

关键词： 青少年   机器人   竞赛   全国人口普查   老龄化社会   老年人口   中国   显示  

摘要： 第五次全国人口普查显示,我国60岁以上老年人口已达到1.3亿,预计到2015年,60岁以上人口将超过2亿,约占总人口的14%。中国已进入老龄化社会,老龄化所带来的一系列问题日益凸显。

关键词： 码垛机器人   结构设计   动力学   分析与仿真   性能试验  

摘要： 机器人技术是融合机械学、电子科学、信息科学、控制工程、人工智能等多学科的高科技产物,是衡量一个国家装备制造水平的重要指标。码垛机器人作为工业机器人的一种,随着现代制造业及物流行业在我国的快速发展,得到了越来越广泛的应用,甚至在某些领域成为现代化生产线的核心设备,其工作性能的优劣直接制约生产线效率的提高。本文通过对目前市场上常用码垛机器人产品结构分析,从改进机器人关键受力结构入手,设计研制出一款经济、实用的新型混联码垛机器人样机,并研究提高和改善整机驱动系统性能。本文完成的主要工作如下： (1)针对码垛机器人的基本工况要求,参考某些成熟品牌产品,确定本课题码垛机器人设计的基本技术指标,并展开相关工作。首先针对其本体结构提出了新的结构设计方案,即在机器人的承载布局上采用斜导面的支承形式,起到优化机器人的受力结构,达到改善驱动性能的目的。然后通过对比分析论证,最终确定了码垛机器人的总体结构方案。 (2)根据总体方案,并借鉴相关码垛机器人产品,确定此款码垛机器人各驱动部分的驱动方案及主要部件结构尺寸;通过计算初步对各驱动系统相关部件进行选型;运用三维软件Solidworks建立各零部件及整机的三维模型。 (3)基于设计并构建的新型码垛机器人结构形式,选择与之相匹配的拉格朗日方法对其进行动力学分析,计算分析出各关节的驱动力(矩);运用ADAMS软件,对码垛机器人三维模型进行了模拟实际工况条件下的动力学仿真分析,并与理论计算结果进行了比对,以相互验证。 (4)完成工程图纸设计,并投入制造,研制出样机;结合现有试验条件对各驱动系统进行了相关性能测试,并对所得数据结果进行了分析,为将来进行一步设计、试验研究提供数据支持,同时也验证了本项目研究工作的意义。

关键词： 自由漂浮空间机器人   飞越式逼近   在轨抓捕   混沌差分进化   有限时间稳定   滑模变结构控制   RBF网络   地面验证实验  

摘要： 空间机器人在轨抓捕相关技术是高级在轨服务的关键技术之一。由于空间机器人动力学结构呈现复杂的非线性及耦合特性,使得在轨抓捕操作面临动力学与控制等方面的诸多难题。此外,若抓捕对象为故障或失效航天器等非合作目标,其对空间机器人的运动规划与控制提出了更大的挑战,相关技术是目前航天工程领域研究的热点问题。论文针对空间机器人快速在轨逼近与抓捕一类非合作目标的难点问题,系统深入地研究了空间机器人逼近与抓捕过程动力学建模、运动规划、抓捕过程轨迹跟踪控制以及抓捕后协同控制等问题。全文的主要工作概括如下:1.建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程的动力学模型,揭示了空间机器人动力学特性及受重力梯度扰动下的姿态动力学响应特性。（1）针对空间机器人飞越式逼近过程,建立了空间机器人与目标相对运动轨道动力学模型;针对空间机器人抓捕过程,建立了空间机器人抓捕操作动力学模型;将空间机器人与目标接触假设为瞬时过程,建立了空间机器人抓捕目标后耦合系统动力学模型。将以上模型映射到同一坐标空间,建立了空间机器人在轨逼近与抓捕全过程的系统动力学方程。（2）针对空间机器人飞越式逼近与抓捕过程中处于自由漂浮模式的特点,从系统约束特性和动力学奇异性方面解析分析了自由漂浮空间机器人动力学特性,揭示了其对空间机器人工作空间的影响;研究了空间机器人关节零反作用空间特性,提出了关节空间动力学解耦运动条件。通过仿真算例验证了理论与方法的有效性。（3）研究了作为主要环境扰动的重力梯度力矩对自由漂浮空间机器人的姿态扰动影响,建立了考虑姿态与轨道耦合作用的自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动动力学方程;针对不同轨道参数和初始条件仿真分析了系统姿态动力学响应,包括空间机器人关节无控时姿态受扰动分析、关节锁定时俯仰姿态受扰动分析以及长时间工作时末端位姿影响分析。揭示了受重力梯度扰动自由漂浮空间机器人姿态动力学的非线性特征。2.提出了空间机器人快速逼近与抓捕过程的一体化运动规划方法。（1）针对一类非合作目标在轨抓捕问题,提出了空间机器人飞越式逼近中同步抓捕目标的快速抓捕策略;针对抓捕过程中空间机器人运动特点,分别定义了飞越式逼近的飞行阶段和机械臂抓捕实现流程;基于瞬时接触过程的基本假设,建立了空间机器人与目标接触过程的角动量传递模型,利用模型设计了抓捕过程对空间机器人的基座姿态扰动最小约束条件。（2）从物理约束、任务约束和安全约束方面提出了空间机器人逼近轨迹和抓捕轨迹设计指标,系统建立了空间机器人快速逼近与抓捕过程一体化运动规划模型。提出了基于混沌差分进化算法的规划模型求解思路和实现流程,针对典型算例开展了数值仿真,验证了规划模型和求解算法的有效性。3.提出了空间机器人在有限时间内快速抓捕和转移目标的轨迹跟踪控制方法。（1）针对空间机器人在逼近过程中抓捕目标问题,提出了有限时间变结构控制方法;在此基础上,针对空间机器人系统参数不确定性和非参数不确定性,建立了径向基函数（Radial Basis Function,RBF）网络补偿模型自适应补偿控制系统模型误差,提出了自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;进一步考虑关节执行器输出饱和问题,基于双RBF网络补偿模型提出了约束自适应RBF网络非奇异终端滑模控制方法;利用仿真算例将上述控制方法与传统滑模控制进行了对比分析,验证了所提出的控制方法在收敛时间和收敛精度等方面的改进效果。（2）针对空间机器人捕获目标后的耦合系统转移目标操作,提出了机械臂末端工作空间动力学解耦条件,使耦合系统仅驱动机械臂即可实现对目标与基座姿态的独立控制;在此基础上针对转移操作时间有限和复杂环境扰动因素,提出了目标转移操作中对基座姿态无扰动的有限时间协同控制方法;利用仿真算例开展了对比分析,验证了控制算法的有效性。4.设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案,开展了动力学特性及控制算法的地面验证实验。利用基于气浮式微重力平台的地面验证实验系统,设计了空间机器人抓捕目标的地面验证实验方案;对空间机器人在自由漂浮模式下的动力学耦合特性分析结果和该模式下基座无扰动控制算法开展了地面验证实验,实验结果验证了论文理论模型与仿真计算的正确性。综上所述,论文研究了空间机器人飞越式逼近运动中同步抓捕目标过程的动力学、规划与控制问题,系统地提出了针对一类非合作目标的快速在轨抓捕策略、模型和方法。这些理论模型与控制算法对空间机器人在复杂空间环境中实施抓捕任务具有工程参考意义。

关键词： 3-PSR并联机器人   运动学   工作空间   动力学   仿真  

摘要： 少自由度并联机器人是机器人领域内的一个重要分支,在实际工业生产环境中与传统的串联型机器人构成了优势互补关系,在人类的工业生产等领域中日益扮演着重要角色,越来越受到学者们和相关机构的重视。本文以3-PSR并联机器人为研究对象,分析该机构运动学问题,以此为基础对3-PSR并联机构的工作空间进行求解,之后分析该机构的动力学问题并对3-PSR并联机器人进行仿真,通过求解误差以验证理论计算的正确性,为3-PSR并联机器人的深入探讨和实验提供部分理论基础。 本文首先介绍了机器人的发展以及现阶段内并联机器人的理论研究内容和应用状况,总结了近年来国内外学者对于并联机器人运动学、动力学等领域的研究方法和取得的研究成果。之后确定3-PSR并联机器人各部件的尺寸参数,设置系统内相关坐标系和运动副,建立3-PSR并联机构模型。通过推导其运动学约束方程,建立了3-PSR并联机构运动学模型。采用1stOpt软件和Matlab软件对其位置正解和位置逆解进行求解并给出数值实例加以验证。以此为基础,采用边界搜索方摘要法求解3-PSR并联机器人工作空间,利用Matlab平台绘制机构工作空间三维图和截面图,并通过限制其活动平台的位姿得到3-PSR并联机构定姿态工作空间,分析机构奇异形的位置范围。 其次求解3-PSR并联机构的雅克比矩阵并对运动学约束方程进行求导,分析该机构的速度关系,以此为基础建立3-PSR并联机构的拉格朗日动力学方程,使用Matlab软件对动力学逆问题进行分析求解。 将3-PSR并联机器人的Pro/E模型导入ADAMS软件,定义运动副和约束,添加输入并设置时间,对该机构进行运动学和动力学仿真,测量机构仿真结果并与理论计算结果进行比较并进行误差计算,对3-PSR并联机器人运动学和动力学建模部分理论计算的正确性进行验证。

关键词： 多非完整移动机器人   自适应控制   驱动器动力学   反步技术   编队控制   领航者-跟随者   不确定性  

摘要： 针对含有驱动器及编队动力学的多非完整移动机器人编队控制问题,基于领航者-跟随者l-ψ控制结构,通过反步法设计了一种将运动学控制器与驱动器输入电压控制器相结合的新型控制策略。采用径向基神经网络(RBFNN)对跟随者及领航者动力学非线性不确定部分进行在线估计,并通过自适应鲁棒控制器对神经网络建模误差进行补偿。该方法不但解决了移动机器人编队控制的参数与非参数不确定性问题,同时也确保了机器人编队在期望队形下对指定轨迹的跟踪;基于Lyapunov方法的设计过程,保证了控制系统的稳定与收敛;仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词： Markets   Research   Robotics   Public attitudes   SPARC  

摘要： Purpose - This paper aims to provide details of a major new European robotic research programme and of a recent survey concerning the attitudes of Europeans to robotic technology. Design/methodology/approach - Following an introduction, this paper briefly summarises Europe's position within the global robotics industry and then discusses the SPARC project. It then examines the finding of a European survey of public attitudes towards robots and concludes with a short discussion. Findings - This shows that the European Union (EU) is a significant force within the global robotics business, and that it is about to embark on its largest ever robotics R&D programme. An EU-wide survey of public attitudes towards robots showed generally positive views but great resistance to the use of robots to care for children, the elderly and the disabled. There was also widespread concern that growing numbers of robots will take jobs. Originality/value - This paper summarises Europe's position within the global robotics industry, provides details of the SPARC project and analyses the finding of a European survey into public attitudes towards robots.