关键词： Continuum Robot   Multiple-Backbone Robot   Biologically Inspired Robot   Kinematics   Dynamics  

摘要： Continuum robots have been the subject of extensive research due to their potential use in a wide range of applications. In this paper, we propose a new continuum robot with three backbones, and provide a unified analytic method for the kinematics and dynamics of a multiple-backbone continuum robot. The robot achieves actuation by independently pulling three backbones to carry out a bending motion of two-degrees-of-freedom (DoF). A three-dimensional CAD model of the robot is built and the kinematical equation is established on the basis of the Euler-Bernoulli beam. The dynamical model of the continuum robot is constructed by using the Lagrange method. The simulation and the experiment's validation results show the continuum robot can exactly bend into pre-set angles in the two-dimensional space (the maximum error is less than 5% of the robot length) and can make a circular motion in three-dimensional space. The results demonstrate that the proposed analytic method for the kinematics and dynamics of a continuum robot is feasible.

关键词： Robotic Fish   Self-propulsive   Hydrodynamics   Digital Particle Image Velocimetry (DPIV)  

摘要： Both body undulation and caudal fin flapping play essential locomotive roles while a fish is swimming, but how these two affect the swimming performance and hydrodynamics of fish individually is yet to be known. We implemented a biomimetic robotic fish that travel along a servo towing system, which can be regarded as "treadmill" of the model. Hydrodynamics was studied as a function of the principal kinetic parameters of the undulatory body and caudal fin of the model in a self-propelled condition, under which the time-averaged measured axial net force becomes zero. Thrust efficiency was estimated from two-dimensional digital particle image velocimetry (DPIV) measurements in the horizontal and mid-caudal fin plane. The Single-Row Reverse Karman wake (2S) is commonly observed in many previous studies of live fish swimming. However, we show that a Double-Row Two-Paired vortices (2P) wake was generated by the robotic model for most kinetic parameter combinations. Interestingly, the 2S wake emerged within the results of a narrow range of robotic caudal fin pitch angles (0 <=theta <= 10 degrees), occurring concurrently with enhanced thrust efficiency. We also show that, compared with the effect of body wavelength (lambda), the wake structure behind the robotic swimmer is more sensitive to the Strouhal number (St) and caudal fin pitch angle (theta).

关键词： 机器人工程   厦门理工学院   焊接机器人   工业机器人   产业机器人   福建省   学科  

摘要： 0 引言 随着经济全球化和信息技术不断发展,当今国际竞争的关键已不再是传统资源等有形资本,而是取决于科技为核心的综合国力.而机器人技术正是在工业领域中代表高科技的典范.工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如排爆、水下探测、太空研究、自主移动战车、灭火、热处理、焊接、塑料制品成形以及完成对人体有害物料的搬运、喷涂等操作,工业机器人都得到了广泛的应用,大大提高了劳动生产率,降低了成本,提升了企业的竞争力,最大限度地保证了操作者的身体健康及人身安全,必将带来可观的社会经济效益,因此机器人的研究具有极为重要的意义.

关键词： 自平衡机器人   独轮机器人   动力学建模   偏航控制  

摘要： 机器人的首要问题是运动平衡，对于静不平衡机器人，可以在其运动过程中实现平衡控制，这也是研究独轮自平衡机器人的重要意义。独轮机器人一种典型的非完整、非线性、静不平衡系统，其灵活移动要求保持平衡、直线行驶，同时要能改变航向，是控制科学与机器人学研究的重要问题。\n 本文研究了具有水平飞轮和竖直飞轮的独轮自平衡机器人的偏航控制问题，该机器人由下电机驱动一个车轮控制行走和前向平衡，由中电机驱动一个竖直飞轮形成反力矩用于保持侧向平衡，由上电机驱动一个水平飞轮形成反力矩实现偏航控制。本文首先采用凯恩方法建立双飞轮独轮自平衡机器人的动力学模型，然后对机器人的非线性模型在平衡点附近线性化得到其近似的线性模型，在此基础上设计机器人的LQR偏航控制器，最后通过仿真和物理实验实现了独轮机器人在原地站立和行进过程中偏航控制，取得的主要研究成果如下:\n 1)独轮自平衡机器人偏航运动的动力学建模与分析运用凯恩方程建立了独轮自平衡机器人在水平面上偏航的动力学模型。将机器人系统抽象为由车轮、机器人体及竖直惯性飞轮和水平飞轮四个刚体组成的系统，对其进行假设和简化，建立了独轮自平衡机器人系统的动力学模型，并分析了系统的稳定性和能控性，为独轮自平衡机器人在平地上的原地偏航控制器和行进中的偏航控制器的设计奠定了基础。\n 2)基于LQR算法的独轮自平衡机器人的偏航控制仿真研究实现了独轮自平衡机器人在水平地面上的偏航控制仿真。首先，将独轮自平衡机器人系统状态方程在平衡点附件线性化，设计线性二次型最优控制器，实现系统的偏航控制。对独轮机器人系统在水平地面分别进行了原地站立状态的小角度和大角度偏航、行进过程中的小角度和大角度偏航的仿真实验。在MATLAB/SIMULINK环境下的数值仿真实验表明，独轮机器人无论在原地还是行进中偏航，都能获得很好的控制效果。水平飞轮每次加速到饱和速度，机器人最大可偏航5.7°;根据不同的控制周期和偏航前的运动状态，机器人可在8～12秒内的偏转45°，这是水平飞轮多次加速偏航的结果。根据本文分析，水平飞轮的偏航控制能力局限，如果期望更大的偏航角度，如90°或180°，则需要加倍的控制时间。\n 3)基于LQR的独轮机器人偏航控制物理实验本课题在实物平台上实现了独轮机器人的偏航控制。首先，通过实物详细分析和验证了水平飞轮偏航的速度饱和特性和控制策略。然后在独轮机器人的实物上进行了原地站立状态的小角度(6°)和大角度(45°)偏航、行进过程中的小角度到大角度偏航的物理实验，并通过物理实验分析对比了水平飞轮的改进对偏航效果的影响。实验结果表明，双飞轮的独轮机器人在原地站立和行进中都能进行较好的小角度和大角度偏航控制。水平飞轮每次加速到饱和速度使机器人最大可偏航约7°;根据不同的控制周期和偏航前的运动状态，机器人可在10～17秒内的偏转45°。同时，独轮机器人在控制时间加倍的情况下可以偏转到任意角度，说明独轮自平衡机器人具备灵活的移动性。最后，对水平飞轮改进前后的偏航实验进行了对比分析，表明适当增加水平飞轮的转动惯量可以使偏航能力有很大提升。

关键词： 水下机器人   仿生推进系统   动力学   工作原理   技术参数  

摘要： 水下机器人在海洋环境监测、海洋资源探测和开发等民用领域和军事领域都有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们的极大关注。为了完成海洋环境勘探、海底样本采集等任务，要求水下机器人在低速条件下具有良好的机动性与稳定性。水下生物的高效率、低噪声、高机动性等优点，使其成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的防水水下机器人模仿的对象。因此，基于仿生学原理，研究新型水下机器人仿生驱动方式，探讨仿生推进操纵方法，并分析其水动力性能，研制仿生推进实验样机，对于探索小型中低速水下机器人新型驱动方式，提高其灵活性、稳定性和机动性能，具有重要的研究意义。\n 本文对鸭子在水中的划水运动和脚蹼的结构特点进行了详细分析，基于仿生学原理，设计了一种新型水下机器人仿鸭蹼式推进机构，使其能够模仿鸭蹼的运动形式，为水下机器人本体提供动力，建立了仿生推进机构的三维模型，采用指数积公式分析其运动问题，得到整个仿生推进系统各个构件的速度以及加速度表达式，求得系统的广义主动力和广义惯性力，采用Kane方程建立该仿生推进系统的简化动力学模型，对其进行计算分析。\n 为验证该推进机构是否能够满足既定要求，本文利用机械系统动力学软件ADAMS建立了整个系统的简化动力学模型，并对该模型进行了运动仿真与动力学分析，分析结果表明该仿生推进机构能够较为真实的模拟鸭子的划水运动，为水下机器人本体提供前进和姿态保持的动力。最后，利用流体分析软件Fluent对该仿生推进机构进行了不同姿态下的水动力学状况分析。\n 为进一步验证该推进机构的性能与推进效果，本文根据机构设计图制作了简易水下机器人仿生推进系统的实验装置，采用舵机控制推进机构运动，无线电加速度传感器测量其各项数据，并用一台小型水下摄像机监测推进机构的工作状况，对整个仿生推进系统进行了动力学实验研究。对实验数据进行处理和分析，并于ADAMS仿真数据进行对比和验证，对比结果进一步证明本文设计的仿生推进机构的可行性与可靠性。

关键词： 码垛机器人   运动学   动力学   仿真  

摘要： 为了评价码垛机器人的工作能力和实现作业的精确控制,需对码垛机器人进行运动学和动力学仿真。本文以ABB IRB660码垛机器人为例,利用Matlab机器人工具箱编程,对码垛机器人进行运动学仿真,同时利用ADAMS建立虚拟样机,对码垛机器人进行运动学和动力学仿真。本研究有利于码垛机器人的结构设计和动作控制,通过仿真验证了机构设计的合理性和仿真方法的正确性,也为码垛机器人的电机选择提供了依据。

关键词： 机器人学   虚拟现实   SimMechanicsCAD转换器  

摘要： 为了展现抽象的数学理论形象,提出了一种使用SimMechanics CAD转换器生成基于VRML的机器人虚拟样机的方法.生成的虚拟样机具有和真实机器人一致的控制界面、相似的动力学特性、细腻的图形交互,并可以完全脱离仿真软件、建模软件和程序开发软件的支持而单独、实时运行.此开发方法直接利用机械装配图,生成包含动力学的虚拟样机,降低了虚拟样机的开发难度,满足了快速、高质量的开发要求.

关键词： 绳驱动并联机器人   结构组成   动态模型   运动仿真  

摘要： 并联机器人是一种新兴的机器人,它具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好、位置误差不累积等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,扩大了机器人的应用领域。并联机器人由于其运动速度高、定位准确性良好,在装配、包装、点焊等很多领域都有很广的发展潜力。所以近些年来并联机器人的研究成为国内外学者研究的热点。\n 本文的研究对象为一种具有三个自由度的绳驱动并联机器人,由动静平台及三根摆杆、绳、气缸组成,驱动电机直接固定在静平台上,与摆杆相连,轻质的绳取代了连杆,连接到机器人的执行末端件上,减小了机器人执行端的质量,此类机器人惯性小,运动灵活且精度较高,具有良好的运动和力传递特性。\n 本文对三自由度绳驱动并联机器人的结构进行了详细的分析,给出了空间机构自由度的计算公式,并进行了计算;建立了运动学模型,确定了各个构件的空间位姿,对机器人进行了正向运动学及逆向运动学分析,推导出计算公式,并进行了数值验证。通过位置反解公式,对机器人的工作空间进行了分析;对绳的张紧性问题作了详细的叙述,最终求得在任意允许的外力作用下,使得绳张紧的支架力的解析式;应用最广泛的牛顿-欧拉方法建立了机器人的动力学模型,推导出此类机器人的雅可比矩阵,并对机器人的速度和加速度进行分析。\n 最后,通过Pro/E软件,绘制出三自由度绳驱动并联机器人的虚拟样机,建立了动态模型,实现了样机的运动仿真。

关键词： 机器人   冷凝器   清洗   动力学   自适应控制系统   轨迹跟踪  

摘要： 设计了水下冷凝器清洗机器人的机械和电气系统,考虑到浮力、水流阻力等因素的影响,建立了冷凝器清洗机器人的水下动力学模型.针对工作环境复杂的特点,提出了一种自适应控制策略,该控制律结构简单,鲁棒性强,能够对系统中的未知和不确定性因素进行有效补偿.设计过程采用了Lyapunov方法,保证了控制系统的稳定和收敛.仿真结果表明,该控制器性能稳定,具有良好的轨迹跟踪能力,同时也验证了本文建立模型的合理性.

关键词： 履带救援机器人   四摆臂   协同作业   越障规划   机械运动学  

摘要： 随着机器人技术的不断发展，救援机器人作为一种重要的灾难救援辅助工具，已经得到国内外研究机构的广泛关注。本文主要针对学校立项的四摆臂履带式救援机器人，研究其越障过程的运动规划以及动力学分析，为机器人的协同作业提供依据。\n 本文首先对RoboCup救援机器人的比赛环境进行了概括分析，并简要介绍了作为本文研究对象的救援机器人基本结构参数和功能。针对典型障碍提出了基于救援机器人本体运动和四摆臂协同作业的越障动作规划方案，并对复合障碍的越障动作规划进行了举例分析。\n 其次，对机器人翻越垂直障碍的过程进行了详细分析，建立了越障过程中的机器人位姿关系。使用第二类Lagrange方程对机器人的越障进行了完整的动力学建模，给出了机器人行走机构的动力学逆解表达式。为机器人越障分析提供了理论依据。\n 最后，基于所建立的机器人动力学方程，结合越障动作规划和位姿分析，对一个具体越障过程进行了完整的运动规划，获得了机器人越障过程的驱动电机扭矩输出规律。从理论的角度上验证了越障动作规划的可行性。