关键词： 轮式机器人   虚功率原理   LuGre摩擦模型   黏滞-滑移   伺服约束  

摘要： 轮式机器人以其极高的移动性以及可控性成为共融机器人研究领域的热点之一。目前大多数研究通常以轮式机器人行驶在结构化环境中为前提,假定轮-地之间紧密贴合无滑移,所建立的动力学模型在二维问题中得到的广泛的应用。随着轮式机器人的应用场景和范围不断扩大,动态的、未知的非结构化环境中运行的轮式机器人逐渐受到学者的广泛重视,对轮式机器人的轨迹跟踪与控制进行准确分析就需要在动力学预测模型中充分考虑纵向和横向滑移带来的影响,目前相关的研究较少。本文以轮式机器人为具体研究对象,开展的主要研究工作如下:(1)以虚功率原理为建模依据,建立了轮式机器人运动学以及动力学方程。在非结构化环境中,轮式机器人将面临复杂的外部载荷作用,在虚功率原理的建模框架下,只需求出任意载荷的虚功率即可将其耦合进入全局动力学方程中,对后续的建模和控制带来了较大的模型便利。(2)以非结构化场景中共融的轮式机器人为驱动,对机械系统动力学中常见的多种摩擦模型进行比较,特别是从积分器的选择、积分参数的调控以及动态参数辨识等方面对Lu Gre摩擦模型进行了说明。引入线性互补模型描述轮-地间法向接触力,克服了连续接触力模型在求解平顺接触问题时效率较低的缺点,通过数值算例验证了所提方法的准确性。(3)面向非结构化环境应用场景,引入动态接触模型分析轮式机器人轮-地间复杂非光滑动力学行为,建立考虑黏滑摩擦的轮式机器人系统动力学高效准确预测模型,开展了轮式机器人纵向和横向滑移分析,同时与基于非完整约束建立的系统动力学模型所得到的仿真结果对比,验证该模型的准确性。(4)探寻考虑滑移的轮式机器人轨迹跟踪问题的解决,针对非结构化环境中运行的轮式机器人,研究基于虚功率原理的伺服约束控制方法,根据期望轨迹得到力矩,即为满足系统目标轨迹的驱动力矩;通过对含有相对滑移的两轮轮式移动机器人的目标轨迹进行跟踪控制,证明该方法能够实现对轮式机器人目标轨迹的跟踪控制。

关键词： 葡萄果穗   振-碰耦合   动力学建模   电子果实   双梗果系统  

摘要： 生产中鲜食葡萄必须以成串的形式完成“摘取—夹送—夹放—躺放”和产后的分选、装箱、运输等作业。果串完整性和果粒无损性是鲜食葡萄品质评价的两大指标,而在机器人采运过程中,葡萄果穗因为振动、碰撞而掉落、腐烂的损失高达20%～30%。本文针对葡萄果穗采运过程中的振动、碰撞问题,定义了最小振-碰单元──双梗果系统,并开发设计了一种新型振-碰耦合测量电子果实与双梗果系统振-碰试验装置,建立了双梗果系统的动力学模型,最终运用该模型进行了振动碰撞的仿真分析。本论文的主要研究和工作内容包含以下方面:(1)设计了一款可检测葡萄果穗振-碰运动的电子果实,进行了电子果实振动信号采集精度校核试验和碰撞检测标定试验。由振动精度校核试验结果可知:X、Y、Z三轴的振动数据检测相对误差分别是2.92%、9.8%、5.79%。并通过碰撞信号标定试验确定了碰撞接触力与感应电压关系,最终确定该电子果实可以满足农业生产使用要求。(2)提出了葡萄果穗最小振-碰单元──双梗果系统。运用电子果实进行了双梗果系统的振-碰试验,由试验结果可知,在重力激励作用下的果粒第一次碰撞时振动冲击与碰撞力均是最大的,测得果实在30°、45°、60°、75°的偏角下的平均峰值碰撞力分别为19.654N、21.431N、30.643N、36.373N,峰值加速度值与果粒偏角存在正相关。运用电子果实进行了双果粒摆的振-碰试验,测得果实在30°、45°、60°、75°的偏角下的平均峰值碰撞力分别为14.052N、15.146N、17.266N、20.671N,两个试验都应用了电子果实以果梗间粘弹性为控制变量分析了粘弹性通过弹性势能对于振-碰运动造成影响。(3)在“柔性杆─铰链─刚性杆─刚性球”的葡萄果穗振动模型建模方法基础上提出了“柔性杆—铰链—刚性杆—柔性球”的振-碰耦合建模方法。基于振-碰耦合建模方法思路,运用分析力学的方法建立了双梗果系统的动力学方程模型,分析了双梗果系统的两种运动模式,给出了双梗果系统的振-碰耦合动力学方程,并根据Matlab平台给出求解程序对双梗果系统振-碰运动过程进行了仿真分析。(4)进行了双梗果系统动力学模型的验证以及仿真分析。运用双梗果系统动力学方程模型进行了仿真验证,通过对比前人试验以及双梗果系统振-碰试验结果,发现建立的双梗果系统动力学模型可以模拟葡萄果穗的振-碰运动过程,测得果实在30°、45°、60°、75°的偏角下的平均峰值碰撞力相对误差分别为7.225%、6.864%、7.056%、9.323%,建立的模型满足后续振-碰仿真需求。最后运用双梗果系统动力学方程模型进行了仿真分析,分析了双梗果系统的振-碰运动规律。

关键词： 康复机器人   外骨骼   动力学建模   RBF神经网络   速度同步  

摘要： 当前社会人口老龄化形势的日益加剧,脑卒中、脊髓损伤等下肢残疾患者数量逐年增加,人们对康复训练设备的接受程度不断提高,人们对智能康复设备的需求变的庞大起来。本文提出设计一款基于直流伺服电机的外骨骼康复机器人,根据康复患者使用场景、康复训练需求进行结构设计,对活动机构进行运动学及动力学分析建模,以提高系统控制精度,对下肢康复外骨骼的轨迹跟踪控制和移动平台的速度同步控制进行研究,满足用户多样化的康复训练需求。本文的研究内容如下:(1)通过分析正常人在行走过程中人体下肢的生理结构和人体行走姿态分析,分析总结得到了康复机器人的设计需求。针对不同用户的身体差异性,设计了多种调节机构,满足不同身高、体重用户的训练需求。针对用户康复训练过程中的行走需求,设计了具有主动移动功能的移动平台。(2)采用修正的D-H参数法建立了下肢外骨骼的正运动学模型,采用拉格朗日法建立了下肢外骨骼的动力学模型,并通过质心实验提高了模型的精准度。通过对机器人的移动平台进行运动分析,建立了万向轮及各驱动轮之间的运动关系,通过达朗贝尔原理建立了移动平台的动力学模型。(3)采用Minisun IDEEA3设备采集人体行走关节角度变化曲线,作为理想关节运动轨迹。针对外骨骼动力学建模过程中,无法避免的摩擦等外界影响,分别采用模糊控制和径向基神经网络对未知摩擦进行补偿,在MATLAB/Simulink中搭建控制系统,分别对下肢外骨骼动力学模型进行仿真分析,获得了良好的轨迹跟踪效果,跟踪误差小于4°。在康复训练过程中,为保护用户安全,搭建MATLAB/Simulink和***联合仿真系统,并通过PID控制实现了速度同步仿真。(4)完成了康复机器人实验样机的搭建,通过进行功能测试,证明康复机器人达到设计目标。通过实物样机实验,验证了外骨骼轨迹跟踪控制和速度匹配控制策略的可行性。

关键词： 人机协作   动力学前馈   变阻抗控制   柔顺运动基元   技能学习  

摘要： 随着协作机器人技术的发展,人与机器人的协同作业日益广泛。人手动作业具有很好的智能性和灵活性,机器人自动作业则具有出色的效率和精度,采用人机协作技术可以将人的智能、灵活与机器人的高效、高精度结合起来,从而完成多种复杂的任务。因此,协作机器人在制造业和服务业中都得到了广泛的应用。为了进一步提高人机协作过程的效率,保证人-机器人-环境交互的安全,本文提出了基于动力学前馈的协作机器人柔顺运动生成与泛化算法。首先,对机器人动力学进行了建模、参数辨识及前馈控制。其中,使用拉格朗日法建立了机器人本体动力学模型,经动力学线性化和惯性参数重组后使用两步辨识法得到了动力学参数;建立了机器人负载动力学模型,并基于虚拟力/力矩传感器和负载参数快速辨识算法得到了负载动力学参数;建立了考虑负载对摩擦影响的改进Lu Gre摩擦模型,并使用粒子群优化算法进行了摩擦参数辨识。其次,设计了基于动力学前馈的机器人变阻抗控制器。其中,建立了关节空间和任务空间中的基于动力学前馈的变阻抗控制模型,并解决了模型中的加速度噪声问题;设计了阻抗自适应策略,并使用离线稳定性约束法和在线稳定性调整法保证了机器人运动的稳定。最后,研究了机器人的柔顺运动生成与泛化算法。其中,介绍了运动规划、动觉示教等机器人运动生成方法,并对动态运动基元算法进行了建模、仿真与分析;提出了一种柔顺运动基元算法,并对相关的数据预处理方法、机器人变刚度接口以及多维柔顺运动基元结构进行了研究;设计了一个机器人技能学习框架,从而控制机器人柔顺、安全的进行任务学习与泛化。为了验证所提出的算法和策略,本文设计了机器人柔顺运动实验。通过机器人柔顺操作实验证明了动觉示教方法的灵活、高效和关节空间变阻抗控制的柔顺、安全;通过机器人柔顺操作泛化实验证明了任务空间变阻抗控制直观的柔顺交互能力和机器人技能学习框架的泛化能力。实验结果表明,本文提出的算法和策略有效地提高了人机协作的效率和安全性。

关键词： 柔性机器人操作臂   振动特性   螺栓结合部   机电耦合  

摘要： RP（Rotation-Parallel）型柔性机器人因具有高速、轻型、集成化等优点被广泛应用于工业生产,它由螺栓结合部、执行机构等关键部件组成。其中,螺栓结合部作为机械系统（移动基座和柔性臂杆）的连接部件,执行机构（电机和柔性臂杆）作为复杂的机电耦合系统,均对柔性操作臂的振动特性有着较大影响,而且螺栓结合部的存在进一步强化了系统间耦合效应,故研究RP型柔性机器人操作臂的振动特性具有十分重要的意义。基于RP型柔性机器人结构特征构建其动力学模型。利用Hamilton变分原理,分别推导了柔性臂杆在旋转与直线两种运动下的动力学方程,并通过ADAMS对两种运动方式下柔性臂杆的振动特征进行了模拟分析。建立了RP型柔性机器人物理实验模型,对两种运动方式下柔性臂杆的振动特性进行实验检测并与虚拟样机的分析结果进行对比验证。对柔性操作臂螺栓结合部振动特性进行研究。依据螺栓结合部的结构特征,采用弹簧单元对其进行等效建模,基于赫兹接触理论推导结合面载荷与刚度参数之间的理论计算公式。借助ANSYS探究螺栓预紧力、螺栓直径、螺栓组数目以及螺栓排列方式等对螺栓结合部固有频率和振型特性的影响规律,为研究不同结合条件下柔性臂杆的振动特性提供理论参考依据。分析机械与电磁系统在互相耦合效应下柔性臂杆的振动特性。基于全局机电耦合效应与Lagrange-Maxwell推导了机电耦合系统动力学方程。利用虚拟仿真平台分析了电机输出端以及移动基座的速度特性,得到了机电耦合效应对机械系统振动特性的影响规律,并通过Matlab/Simulink与Adams/Controls实现了虚拟样机的联合仿真,分析了机电耦合效应下柔性臂杆的振动特性。提出实验平台总体设计方案,采用STM32作为下位机,PC机作为上位机,JY61P加速度传感器用于振动信号检测,搭建了RP型柔性机器人操作臂物理实验平台。基于Lab VIEW设计了振动数据信号采集程序和监控界面,根据实验数据分析了移动机座和柔性臂杆振动特性,验证了理论研究成果。

关键词： 工业机器人   动力学建模   卷积神经网络   碰撞检测   模糊逻辑  

摘要： 如今,工业机器人在制造业中的使用越来越广泛,起到的作用也越来越大。工业机器人不仅能够在较差的工况下完成大量重复性工作,同时相比人工在完成任务的质量和效率上也更高。工业机器人的控制方法主要分为两类,基于误差反馈的控制方式和基于动力学模型的控制方式。对于传统的基于误差反馈的控制方式,难以在不同场景下满足性能、可靠性或是人机协作的要求。因此,基于动力学模型的控制方式被用于满足机器人的动态性能要求。而基于动力学模型的控制方式的性能优劣取决于机器人动力学建模的精度。本研究首先针对工业机器人动力学模型,引入了机器学习相关算法,提出了半参数动力学建模方法来提升传统的基于刚体动力学的模型精度。此外,对于人机协作中的碰撞检测问题,在工业机器人动力学模型存在一定误差的条件下提出了一种基于模糊逻辑的碰撞检测算法。开展的主要工作如下:本研究首先依托自主搭建的SRE4-600工业机器人力控平台建立了机器人的运动学模型和动力学模型。在运动学建模中,使用了标准Denavit-Hartenberg模型,结合激光跟踪仪对各关节和连杆的几何参数进行标定。在动力学建模中,通过拉格朗日方法给出了机器人参数化的动力学模型,并且使用数值方法对去除了待辨识的动力学参数的冗余部分。在动力学模型的辨识过程中,使用了半定规划方法以满足待辨识参数的物理可行性。接着,基于所得到的参数化动力学模型,提出了一种基于卷积神经网络的机器人动力学误差补偿器。在所提出方法中,给出了数据集的获取与处理方法、网络的结构、网络的训练超参选择。基于训练完的网络,以“滑动窗口”的形式将机器人的运动信息输入神经网络,通过网络计算得到补偿的关节力矩值。将网络得到的补偿力矩与之前提到的参数化动力学模型计算结果相结合,得到完整的半参数动力学模型。实验表明,本研究所提出的半参数动力学建模方法相比仅基于刚体动力学理论的参数化方法,具有更强的鲁棒性和更好的精度。最后,针对人机协作中的碰撞检测问题,本研究充分考虑机器人动力学误差,提出了一种基于模糊逻辑自适应调整参数的碰撞检测算法。实验结果表明,所提出的碰撞检测算法在动力学模型不精确的情况下依然能够较为准确的检测碰撞。

关键词： 嵌入式   无刷电机   行星传动   固有特性   机电耦合   机器人关节  

摘要： 随着人工智能的迅猛发展,机器人越来越多的融入到人们的生产生活中。一方面,在工业生产中,工业机器人成为了现代制造业发展的关键,得到了前所未有的发展。另一方面,机械臂、人形机器人等多种类型机器人也在服务、医疗、消防等领域发挥着重要作用。机器人关节作为机器人动作的执行器件,直接影响着机器人性能的优劣,目前机器人技术朝着标准化、模块化发展,因此机器人关节技术也将趋向于高集成度、低功耗等方向。本文以低成本、高集成度机器人关节为研究对象,设计了一款机器人关节以及控制驱动系统,并对该机器人关节固有特性以及机电耦合动力学进行了研究,论文具体的研究内容如下:(1)设计了二级串联行星减速结构,阐述了行星齿轮结构传动原理,对主要机械零件进行了设计,根据国际标准计算了太阳轮与行星轮、行星轮与内齿圈的刚度,并对刚度进行了五次傅里叶展开,为固有特性与机电耦合动力学研究奠定了基础。根据机器人关节工作要求及特点,设计了无刷电机驱动以及基于CAN总线的控制系统电路,完成了相应电路印刷电路板的设计与研制,并搭建了实验平台验证了机器人关节设计方案的可行性。(2)介绍了无刷电机PWM调速原理、CAN总线通讯协议及工作原理,详细介绍了无刷电机方波与磁场定向控制两种方案,结合C与C#编程语言编写了无刷电机方波控制、磁场定向控制程序以及CAN总线通讯程序,开发了最高可支持17自由度机器人关节上位机控制系统,实现了机器人关节无刷电机控制系统代码开发编写。(3)考虑误差以及齿轮啮合时变刚度,采用集中参数法,建立二级串联行星齿轮传动系统动力学模型,对机器人关节系统固有特性以及模态能分布规律进行了详细研究。研究各零件质量对系统固有频率的影响,分析了系统振型,为系统减振提供了理论依据。(4)考虑无刷电机电磁特性以及二级串联行星系统扭转振动,建立了无刷电机拖动二级串联行星机电耦合系统模型,对冲击载荷下机电耦合系统进行分析,求解出冲击前后齿轮啮合力并对其进行傅里叶变换与时频分析,研究了冲击过程中固有频率与电机转速的关系,为优化系统参数以及系统共振区提供了理论依据。

关键词： 攀爬机器人   动力学建模   振动特性   吸附力分析  

摘要： 随着经济的发展,壁面作业需求迅速增长。攀爬机器人可以代替人工完成诸如管道检测、高楼壁面清洗、应用救援等人力难以完成的工作。1986年以来,国内外专家学者研发了多种运动形式的攀爬机器人,但是攀爬机器人应对不同障碍物越障与实际工程应用仍是一项难题。本文设计了一种含柔性吸附材料的负压移动模块与三轴机械臂组成的越障攀爬机器人。基于李群李代数与旋量理论,从位姿变换的指数积方程入手,推导了攀爬机器人空间速度雅可比矩阵,用参数化的方法避免了计算过程中特殊位置奇点。推导了李群李代数形式的拉格朗日动力学方程,通过仿真验证了李群李代数法建立动力学模型的正确性。建立负压移动模块力学模型,求解在关节越障运动下为防止运动失效,真空腔所需最佳吸附力。考虑吸附材料柔性对越障攀爬机器人中的负压移动模块进行动力学建模,通过集中质量离散法推导得到复合柔性吸附材料动力学方程,根据刚柔耦合的理论分析了柔性吸附材料与真空腔体的运动递推关系,再利用拉格朗日动力学原理对负压吸附移动模块完成了动力学建模。对负压移动模块进行不测力法模态试验,排除了其他振动源与机器人系统产生共振从而对后续振动特性分析产生影响。建立反映攀爬机器人动力学耦合程度的数学模型,推导出负压移动模块内部关节运动到真空腔运动的动力学耦合矩阵与柔性吸附材料振动到真空腔运动的动力学耦合矩阵。通过有限元软件和多体动力学软件联合仿真,建立负压移动模块柔性吸附材料与机器人的刚柔耦合仿真模型。通过差速驱动运行曲线轨迹观察吸附材料受力变形规律,分析得到改变加速时间与减速时间的占比可以有效的减小攀爬机器人的振动幅值35%。通过观察振动响应,得到柔性吸附材料的弹性模量的增加与刚性结构质量的减小会降低吸附材料与攀爬机器人刚性部分动力学耦合程度。对攀爬机器人中的负压移动模块进行样机实验,测试了不同吸附材料弹性模量与不同刚性结构质量下负压移动模块的振动响应,通过与仿真结果对比验证了仿真结果的准确性。测试了负压移动模块不同真空度下的动态负载与静态负载。分析测试得到一定程度真空度的增高与角速度减小可以降低负压移动模块真空腔上的振动。通过测量真空度与流量得到负压移动平台运动稳定性与不同壁面适应性。通过对比分析负压移动模块可提供的吸附力范围与理论吸附力,得到负压移动模块可以为攀爬机器人直角面越障提供吸附力保证,为攀爬机器人的驱动控制与工程应用奠定基础。

关键词： 移动机器人   支撑平台   振动控制   粒子群算法   自适应滑模  

摘要： 在某重大试验装置中,采用高速移动机器人系统以满足特殊实验和特种作业的要求。该系统具有结构尺寸大、负载重、速度快、精度高的特点。然而,高速移动机器人作业时容易诱发其支撑平台的振动,严重影响机器人操作精度和操作稳定性。针对此问题,本文以高速移动机器人-支撑平台耦合系统为研究对象,进行耦合系统动力学建模及振动控制策略研究,主要工作内容如下:(1)建立了高速移动机器人-支撑平台耦合系统动力学模型,为后文的振动特性分析和控制策略研究奠定基础。将移动机器人简化为集中质量、支撑平台简化为矩形平板,基于基尔霍夫薄板理论和模态叠加法推导了系统控制微分方程,以明确系统内部的相互作用关系。对于对边简支对边自由边界条件的矩形平板支撑平台,基于Voigt经典解讨论了模态振型和固有频率的解析解。仿真结果对比验证了模型的正确性。(2)研究了高速移动机器人运动特征对支撑平台振动响应的影响。为将结果扩展到一般性研究,参数化计算机器人初速度、加速度、质量、数量、间隔距离以及运动轨迹等运动特征对支撑平台振动响应的影响。仿真结果表明:单个移动机器人初速度较小时,加速度越大支撑平台的振动幅度越大;连续移动机器人的间隔距离会产生明显的共振和消振效应;斜线运动轨迹倾角的增加,支撑平台的振动幅度也增加;圆形运动轨迹直径和机器人角速度是影响支撑平台振动响应的主要因素。(3)开展了基于粒子群优化算法的高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动半主动控制方法研究。针对固定阻尼器缺乏阻尼可控性和鲁棒性的问题,提出一种受控阻尼器组方案,用于支撑平台在移动机器人作用下的振动抑制。由于系统的强耦合性,常规梯度优化算法方案无效,因此基于随机并行的粒子群优化算法,对阻尼器的控制函数进行优化设计。仿真结果表明,相比固定阻尼器,受控阻尼器抑制振动的效果提高了20%。(4)进行了高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动自适应滑模主动控制策略研究。引入自适应律估计系统的不确定边界和忽略系统高阶模态等误差项,设计了支撑平台振动自适应滑模控制器,基于分布参数动力学模型分析了所设计控制器的稳定性;针对系统模态坐标无法直接测量的问题,基于模态叠加法给出了模态坐标重构策略。理论分析和数值仿真结果验证了自适应滑模控制器对高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动抑制的有效性。