摘要： Quasivelocity techniques were applied to derive the dynamics of a Differential Wheeled Mobile Robot (DWMR) in the companion paper. The present paper formulates a control system design for trajectory tracking of this class of robots. The method develops a feedback linearization technique for the nonlinear system using dynamic extension algorithm. The effectiveness of the nonlinear controller is illustrated with simulation example.

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： 大型人形機器人   機器學習   認知心理學  

摘要： 本论文旨在设计一演算法，其允许人形机器人模仿人类思考行为以用於学习投球姿态，并实际应用於FIRA国际机器人竞赛之篮球比赛；本系统主要由影像处理、学习演算法与大型人形机器人之硬体架构等构成。其中，影像处理与学习行为均采用笔记型电脑为中央运算模组；在影像处理部分，除连接一台网路摄影机做为视觉感知器，亦於篮框上方及旁侧装置两台网路摄影机加以监测。为了辨识各式的物体特徵及追踪特定目标，我们应用快速且简易的搜寻与追踪法加以实现。接着，根据2002年诺贝尔经济学奖得主丹尼尔‧卡内曼所着“Thinking, Fast and Slow”书中之概念设计一创新的学习演算法，其核心思想是将人类的认知心理学分为两种模式：快思与慢想，快思系统倾向直觉式思考，而慢想系统属逻辑式思考；另外，此演算法亦将书中所提之锚点效应与峰终定律等概念加诸於设计与应用，目的为使机器人得以藉学习过程获得经验曲线，并完成FIRA国际机器人竞赛之篮球竞赛之任务。最後经实验结果可充分展现此仿生的学习方法应用於机器人上是合理且效能优越的。

关键词： 空间绳系机器人   有限单元法   Hamilton原理   Newton—Raphson迭代  

摘要： 针对经典"珠子"模型在计算精度和求解速度方面的不足,提出了一种基于有限单元法的高精度建模与快速求解方法。首先在考虑系绳非线性应力-应变关系的基础上,利用Hamilton原理和C-W方程推导了系统在轨道坐标系下的动力学模型,然后使用三阶的一维单元对系绳进行了离散化处理,并给出了一种利用纽马克-β法进行预估,由Newton-Raphson法进行迭代校正的高效时域求解算法,从而实现了对于系统状态的高精度快速求解。仿真结果表明:与经典的"珠子"模型相比,在分段长度相近的情况下,本文的方法不仅求解精度更高,而且计算速度能够提高至少10倍,另外还能够避免仿真过程中张力出现虚假振荡。

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： 轮式机器人   动力学建模   高速漂移   姿态跟踪  

摘要： 能够高速、高机动地行驶是轮式移动机器人研制的主要目标之一。本文针对四轮独立驱动的高速轮式滑动转向移动机器人，围绕机器人高速行驶状态下的动力学模型及漂移控制方法进行研究，主要工作包括以下三个方面:\n 1)针对机器人在高速机动状态尤其是漂移状态下轮胎存在明显滑动并且失去运动学约束的问题，本文建立了适用于正常行驶状态（轮胎无明显滑动）和漂移状态（有纵向或横向的明显滑动，或同时存在）的统一动力学模型。本文首先引述了统一轮胎模型，阐述了如何计算漂移工况下地面对轮胎摩擦力;然后，以统一轮胎模型为基础对移动机器人进行了动力学建模，得到了其动力学方程，并对方程特点进行了分析。\n 2)针对机器人具有强耦合、冗余驱动、非线性等特点，本文以动力学模型为基础，设计了一种面向姿态角及姿态角速度跟踪的漂移运动控制器。首先，为了将动力学模型应用到漂移过程的姿态跟踪控制任务中，对姿态动力学方程进行了近似化处理;然后，借鉴线性滤波降阶方法设计了一种基于动力学的漂移运动控制器;最后，以NK-Rover2高速轮式移动机器人为基础，通过仿真与实验两方面对漂移运动控制器的性能进行了实验验证。实验结果表明，漂移运动控制器基本有效，可以完成基本的姿态漂移任务。\n 3)针对视觉导航、GPS等定位方法实时性差，不能满足高速漂移控制任务的问题，本文设计实现了高实时性的位置速度测量单元，为移动机器人定位提供了一种新的方法。

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： 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： 轮椅机器人   楼梯攀爬   完整系统   动力学   约束系统   路径规划   控制律  

摘要： 本文的研究内容主要围绕国家自然科学基金项目“越障轮椅机器人的机构、动力学及稳定性研究”展开。该项目提出一种可变形的轮、履复合式移动机构，并研究出一款可上下楼梯的轮椅机器人—WT轮椅机器人，该机器人可通过前、后摆臂的摆动来调整攀爬楼梯过程中轮椅座椅的位姿，同时控制履带以保持一定的张紧力。\n 本论文的核心研究内容是轮椅机器人的控制问题，实现轮椅机器人在攀爬楼梯的过程中座椅保持水平，并且履带的张紧力能够保持恒定或某种恰当的变化，可以归结成完整系统的控制问题。由WT轮椅机器人的控制问题又引出两个问题，控制轮椅保持水平需要对轮椅机器人进行路径规划，对轮椅机器人同时进行路径控制和力控制需要建立WT轮椅机器人的动力学模型。而对轮椅机器人路径规划和动力学建模的前提是得对轮椅机器人与楼梯相互作用的机理进行分析，轮椅与楼梯环境不同的作用形式必然会造成轮椅机器人的路径和动力学不同。针对这四方面问题本论文的具体内容安排如下:\n (1)“系统与环境作用”方面，没有统一的方法解决这一问题，已有文献对越障机构与楼梯的相互作用关注很少。本文中提出一种界定轮椅机器人与楼梯作用性质的概念，模式。其特点是轮椅机器人与楼梯处于不同模式下会有不同的相互作用，会对轮椅机器人的动能及势能造成不同影响，从而使系统的Lagrange函数对广义坐标有不同的表达式，模式的判别在于归纳出轮椅机器人与楼梯相互作用的整个过程所有模式，可以为在不同的模式下的路径规划和动力学建模做准备。\n (2)“系统动力学建模”方面，WT轮椅机器人是具有完整约束的移动机器人，而且参照攀爬楼梯定义下的假设，若轮椅机器人在铅直平面内运动的话，则蕴含着左右两个驱动轮的广义坐标恒等的条件，若假设轮椅机器人左右两侧履带周长相同，则又蕴含着机器人系统中含有两个相同的完整约束的条件。本文中提出了两个定理来化简这两种对称结构，并获得机器人的最简动力学模型。\n (3)“系统路径规划”方面，比较经典的路径规划是针对底座固定，串联机构形式的机器人，应用“运动学反解”的思路，在机器人的关节空间中规划出路径。而WT轮椅机器人是复杂的混联机构移动机器人，而且带有完整约束，传统路径规划方法有所局限。本文中提出了“任务规划法”，联立“目标方程”和约束方程得方程组，并将方程组的解作为规划出的路径。\n (4)“控制律设计”方面，应用复杂的数学或力学工具比如微分几何对应的几何力学来解决完整或非完整力学问题已经有很长历史了，几何力学对完整或非完整系统的物理含义已经有了很清晰和简洁的描述，对完整或非完整系统的可控性和稳定性等也有过很好的论述。但是在完整或非完整系统的控制论上还是很有局限的。传统的设计非完整系统控制律的方法最后都可以归结于欠驱动控制。即系统的控制器数等于或小于系统的广义坐标数。还有一种力/位混合的思路，这是一种分立设计的思想，其局限就在于位控制器与力控制器不能同时起作用，一种控制器只能作为另一种控制器的辅助，而且这种思路主要针对施力的对象固定的平面等，当然这是一种完整或非完整约束控制问题。只是完整或非完整系统的约束平面不固定，比较复杂。McClamroch和Wang等提出在约束平面上建立切平面和法向坐标系的方法来化简这种问题，但是这种思路把问题的处理引入了一个复杂的方向，而且他们在推导中出现了偏差，使力控制出现了余差。本文中提出一种设计完整或非完整机器人系统控制律的框架，并结合计算力矩法和动态规划法设计出WT轮椅机器人攀爬楼梯过程中的主动张紧力控制律，即在实现对各关节变量参考输入曲线跟踪的同时，实现对完整约束的约束反力参考输入曲线的跟踪。