关键词： 四足机器人   弹性躯干关节   对称性   被动运动   躯干关节特性  

摘要： 四足机器人由于其稳定性较好，可以实现高速动态步态，一直是机器人领域的研究热点。自上世纪60年代以来，四足机器人的研究正逐渐向高性能、高速、重载方向发展。为了使四足机器人具有高速运动能力，一些学者尝试以猎豹为参照进行仿生设计。在高速运动时，猎豹会利用其弹性躯干的蜷曲与伸展来提高疾驰速度。由于腿部与躯干直接相连，这一蜷曲与伸展会对整体性能产生影响。因此，有必要研究躯干弯曲运动的作用，这是在进行四足机器人设计时有效利用躯干关节作用的基础。目前的四足机器人大多为刚性的躯干，而一些对具躯干关节的四足机器人研究则将重点集中于运动的主动控制，对躯干关节运动基本性能进行研究较少。 本文以具有柔性躯干的四足哺乳动物为参照，针对理论模型的缺失建立了具有弹性躯干关节的四足模型；提出了可用于躯干关节基本性能分析的准被动步态；推导了初始状态搜索算法以高效地获得模型的运动步态；根据运动仿生模拟的需求对躯干的刚度特性进行了分析；研究了具弹性躯干关节系统的运动特性。 合理的动力学模型是对躯干关节运动性能进行理论分析的基础。以猎豹为参照，对其躯干骨骼结构以及连接方式进行分析，建立具有弹性躯干的四足动力学模型。结合躯干形态变化特征进一步对多弹性躯干关节模型进行简化，得到一种具有单个弹性躯干关节的平面四足模型。该模型能够有效地模拟躯干的蜷曲与伸展，避免其它结构造成的研究过程复杂化，为进行躯干关节作用机理的分析奠定了基础。 为获得具弹性躯干关节系统的周期运动，本文分析了该系统动力学模型的对称特征，提出了对称运动步态。根据四足哺乳动物运动中躯干的形态变化及其驱动肌肉的肌电信号特征，提出了基于锁死与解锁的躯干关节运动控制策略。利用这一策略，可以得到一种新颖的准被动运动方式。该准被动运动能够遵守系统能量守恒准则，有利于进行躯干关节基本性能的分析。 相对于传统模型，简化后的具弹性躯干关节模型仍然具有较多的结构及状态参数，难以进行人工设定。为获得系统的准被动步态，本文以庞加莱映射为基础，建立腿部触地角与对称指标之间的映射关系，并利用数值迭代进行触地角搜索。通过映射值域分析，进一步提出腿部触地角的自动搜索策略，极大地提高了求解的效率。 为获得更接近真实动物的躯干关节极限角特征，本文对躯干刚度特性进行分析。通过对系统动力学模型进行变换，得到能够直观反映腿部运动对躯干变化影响的动力学方程。利用这一方程，并结合四足哺乳动物的实际运动，提出了躯干关节刚度设定的基本策略。 最后，基于建立的模型及其对应步态，本文对腿部支撑相的持续时间及其最大受力进行分析。结果表明，对于任何系统，离心力随着速度的增加而增加。这一增加的离心力降低了腿部支撑相的持续时间。腿部最大受力分析表明，具弹性躯干关节系统运动时的关节变化能够有效地降低腿部受力，应该在高速四足机器人结构中采用弹性躯干关节结构。

关键词： 机器人竞赛   实验学校   湖南师大   赛中   学生   天津市   青少年   初中  

摘要： 本刊讯2012年7月16-20日，第二届中国青少年机器人竞赛在天津市举行，共有来自全国各地的40支初中代表队参赛。湖南师大附中博才实验学校杨天诚、雷石林、

关键词： 自由漂浮柔性双臂空间机器人   动力学建模   振动抑制   分数阶控制  

摘要： 随着人类对太空资源的开发和利用，空间任务越来越多，自由漂浮柔性双臂空间机器人的研究受到了广泛的关注。由于太空环境和机器人结构的特殊性，柔性机械臂在运动过程中发生变形和振动，给这类空间机器人的分析和控制带来了很多问题。因此，针对自由漂浮柔性双臂空间机器人动力学建模与控制问题，本文进行了深入的研究。 首先，基于假设模态法描述柔性机械臂的弹性形变，通过拉格朗日方程和系统动量守恒建立自由漂浮柔性双臂空间机器人开链系统的动力学方程，采用计算力矩法进行末端执行器的轨迹跟踪控制。机械臂捕捉到目标后，建立自由漂浮柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学方程，采用计算力矩法和积分控制法进行目标位置和末端执行器内力的控制。 其次，针对柔性机械臂的弹性形变和振动，采用最优控制方法，通过加入模态控制力对自由漂浮柔性双臂空间机器人的开链系统和闭链系统进行振动抑制，仿真实验证明该方法的有效性。 最后，考虑系统存在建模误差和干扰，利用分数阶控制器对系统参数变化不敏感的优点对自由漂浮柔性双臂空间机器人进行开链系统的轨迹跟踪控制和闭链系统的目标位置与末端执行器内力的控制，通过仿真实验证明该方法可以改善动态响应性能、提高抗干扰能力和增强鲁棒性。

关键词： Induction motor   Direct torque control   Position control   Comparison   Two- and three-level inverters   Torque ripple   Demagnetization   Power factor  

摘要： Purpose - This paper is devoted to the investigation of the potentialities of induction motor DTC strategies in position control applications. Design/methodology/approach - A comparison study is carried out between two DTC strategies dedicated to position control applications such as robotic: the Takahashi DTC strategy where the induction motor is fed by a two-level inverter and a new DTC strategy where the induction motor is fed by a three-level inverter. Special attention is paid to the synthesis of the vector selection table of the second strategy in an attempt to guarantee a high dynamic with reduced ripple of the torque. The comparison study is achieved considering four performance criteria: phase current total harmonic distortion;inverter switching loss factor;quality factor;and inverter commutation frequency. Findings - It has been found that the introduced DTC strategy offers higher performance than the Takahashi one. Of particular interest are: the reduction of both torque ripple and commutation frequency;the eradication of the demagnetization problem which is a vital requirement in position control applications;and the improvement of the power factor thanks to which a reduction of the inverter rating is gained. Research limitations/implications - This work should be extended considering the validation of the obtained simulation results through experiments. Originality/value - The paper proposes a new DTC strategy dedicated to position control applications. It allows the elimination of the demagnetization problem from which suffers the Takahashi DTC strategy at low speeds especially at zero speed in position control applications. It also offers a high power factor which opens up crucial cost benefits as far as the inverter rating is concerned.

关键词： 中小学   湖南省   机器人  

摘要： 700多位中小学生导演机器人大战本刊讯(记者李旭林)随着现场裁判一声令下,四个机器人在特制的绿茵场上飞速疾驰,围绕发光的足球,各自展示着抢断、急攻等各项绝技……比赛的紧张程度,绝不亚于真人比赛。5月19日至20日,2012年湖南省中小学机器人竞赛在北京师

关键词： 视觉伺服   双目视觉模型   图像雅克比矩阵   深度信息   机器人动力学   弱控制李亚普诺夫函数   BP神经网络  

摘要： 随着机器人和计算机技术的飞速发展，人们开始关注具有视觉功能机器人的研究。本文主要采用一种具有深度信息的双目视觉模型，研究了基于图像的机器人视觉伺服控制。机器人系统可实现对静止目标的定位功能或定位原点功能。主要研究工作概括如下： 首先，双目视觉模型的状态参数包含目标的深度信息，控制器设计中不要求目标深度已知或进行目标深度估计。针对手眼机器人动力学模型，采用了机器人雅克比矩阵的转置算法，设计了基于图像的直接伺服PD控制器，并且用李亚普诺夫稳定性定理和Salle定理证明系统的全局渐进稳定性。 其次，针对双目视觉伺服模型，基于弱控制李亚普诺夫函数定理，设计了一种全局镇定控制器，无须实时估算图像雅克比矩阵及其求逆运算，可实现视场内任意一目标点的定位原点控制。 再次，针对基于图像的机器人视觉伺服系统，设计了PI运动控制器和BP神经网络控制器相结合的控制器，利用图像信息误差PI运动控制器给出期望的机器人关节速度，再由BP神经网络控制器得到关节力矩，驱动机器人到达期望位姿，并且用李亚普诺夫稳定性定理证明所设计系统是稳定的。 最后，利用软件Matlab/Simulink对所设计控制器进行了机器人视觉定位仿真实验，并客观地分析了仿真结果，论述了所设计的控制器的有效性。

关键词： D-H坐标   机器人运动学   机器人动力学   ADAMS   轨迹优化   仿真分析  

摘要： 现代化工业中，劳动力越来越紧缺，尤其是在繁重、环境恶劣的工业生产中更加明显，因此工业自动化已经成为研究的重点。机械手是工业自动化中关键的机械设备，机械手的性能，要求不断提高工作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。因此，工业机械手的研究处于机械手研究的前沿。 首先，在机器人运动学及动力学研究的基础上，用D-H法建立了六自由度机械手运动学模型，得到了机械手的正运动学方程，并进行了逆运动学分析，随后分析了机械手的工作空间，为建立机械手的轨迹规划奠定了基础。 其次，简单介绍了研究动力学的方法，利用拉格朗日方程建立了机械手的动力学方程，得到了机械手的势能和动能。利用三维建模软件PRO/E建立了机械手的三维模型，并将其导入动力学分析软件ADAMS中，并添加运动约束驱动，在各个关节处得到了关节力矩、角速度、角加速度的关系曲线，利用虚拟样机技术对六自由度机械手的动力学进行仿真，可达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间的目的，并为机械手控制的研究奠定基础。 最后，介绍了机械手的路径轨迹的描述，讨论了机械手路径轨迹的优化算法，并以此为中心，向前延伸到机械手运动学的逆解变换，向后扩展到ADAMS的动力学仿真。前者是优化算法的重要前提，后者则能对优化算法得到的结果进行必要的验证和评价。仿真结果表明，优化算法在保证了时间最优的前提下，具有较好的动力学性能。

关键词： 机器人   有限元   刚柔耦合   动力学仿真  

摘要： 随着科学技术的发展,机器人已经进入人们的日常生活之中。由于工业机器人能给企业带来巨大的经济效益,因此也用的最为广泛。本文针对的打磨对象是细长火箭壳体,由于对象的长度比较长,因而需要的机械臂也特别长。文中对这类机器人进行了研究。 首先,本文设计了机器人的总体结构。由于机械臂特别长,传统的滚珠丝杠副已难以满足打磨精度的要求。因此,本文采用了齿轮齿条的传动方式,并对齿轮进行了设计计算。根据平行度的要求,一边采用导轨的形式,而另一边采用滚动轴承的形式来实现间隙可调。画出了零件图和总体装配图,并利用Pro/E建立了打磨机器人的三维模型。 然后,对大臂的结构设计了两种方案,利用有限元工具分别从自重、刚度、模态三个方面进行了对比分析,从中选择比较好的方案。另外,考虑了链条对打磨精度的影响,文中提出了利用弹性套筒来模拟链条的方案。文中分别设计了小臂和腕部的套筒,并带入模型中重新分析了机械臂的水平模态。并且利用ANSYS中的套筒文件生成ADAMS里面的弹性体构件。在ADAMS里面重新建立了简化的机械臂模型,进行了动力学仿真,得出链条对打磨精度的影响。 最后,建立了机械臂的动力学模型,并利用ADAMS进行了动力学仿真,得出了各个关节的受力或力矩的情况。

关键词： Orifices  

摘要： Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) involves accessing the abdominal cavity via one of the bodies' natural orifices, for example, mouth, anus, or vagina. This new surgical procedure is very appealing from patients' perspectives because it eliminates completely abdominal wall aggression and promises to reduce postoperative pain, in addition to all other advantages brought by laparoscopic surgery. However, the constraints imposed by both the mode of access and the limited technology currently available make NOTES very challenging for the surgeons. Redesign of the instruments is imperative in order to make this emerging operative access safe and reproducible. In this paper, we survey on the state-of-the-art devices used in NOTES and introduce both the flexible instruments based on improvement of current endoscopic platforms and the revolutionary concept of robotic platforms based on the convergence of communication and micromechatronics technologies. The advantages and limitations of each category are addressed. Potential solutions are proposed to improve the existing designs and develop robust and stable robotic platforms for NOTES.

关键词： 焊接机器人   运动学   动力学   ADAMS   仿真   机器人控制系统  

摘要： 焊接机器人能够极大的改善工人的工作条件、提高焊接的质量以及增强企业的竞争。本文基于ADAMS的仿真技术,对自主研发的六自由度焊接机器人进行了全面、深入和系统的研究。 首先研究了机器人运动学与动力学的主要理论及数学基础,提出了利用ADAMS进行机器人动力学仿真的研究方法。利用D-H法建立了机器人的数学模型,得到了机器人运动学与动力学的方程,为机器人的仿真及控制软件的设计奠定了基础。利用Pro/E强大的参数化建模功能建立了机器人的三维模型,完成了机械臂的设计及装配,同时搭建了机器人系统的硬件平台。给出了运用仿真软件的仿真分析指导机器人设计及样机调试的方法。通过ADAMS进行机器人运动学与刚体动力学分析,利用获取的仿真轨迹数据直接在下位机软件对机器人进行调试;通过刚体动力学仿真分析求解机器人在特定工况的力矩,以及无路径搜索下机器人的最大力矩,为机器人的电机选择提供一定的理论依据;通过SimDesigner对机器人进行刚柔混合动力学仿真,对大臂的结构优化提供一定的参考。 本文从六自由度焊接机器人的运动学与动力学参数设计出发,利用ADAMS仿真软件建立了一套完整的焊接机器人系统设计、分析方法,对焊接机器人本体快速、准确的开发,提高机器人的性能具有重要的指导意义。 最后,在自主研发的控制系统核心算法基础上,开发了焊接机器人的控制软件,实现了点到点、直线、圆弧的示教功能,控制精度在允许的范围内。