关键词： 并联机器人   动力学模型   参数辨识   前馈控制  

摘要： 并联机器人得益于运动惯量小、速度快、精度高、刚度大等优点,被广泛应用于工业生产过程中,但其高耦合和高速特性也对轨迹跟踪控制提出了更高的要求,传统PID等控制策略无法在其高速运动时保证控制精度,而基于动力学模型的控制策略能够加速误差收敛速度,提高机器人的动态响应特性。本文以课题组自主搭建的四自由度高速并联机器人为研究对象,在推导出其运动学和动力学模型后通过离线实验的方式辨识其动力学参数,得到准确的动力学模型,并对其基于动力学模型的前馈控制展开研究。首先介绍了并联机器人样机的整体组成、控制模块、机械模块以及其主要性能参数。依据齐次坐标变换和ZYZ欧拉变换建立末端笛卡尔空间坐标系和驱动关节空间坐标系的联系。根据杆长条件建立机器人支链的闭环回路方程,依据闭环回路方程通过牛顿迭代法计算出正向运动学的数值解;通过解析法求解出逆向运动学的解析解。对杆长条件求导推导出末端执行器及上下动子平台笛卡尔空间到驱动关节变量空间的雅可比矩阵和加速度关系。其次根据并联机器人材料属性对其支链进行简化,通过虚功原理对简化后并联机器人动力学逆解的解析解进行详细推导,基于Matlab的Simscape Multibody子模块进行仿真实验,验证了逆向运动学和逆向动力学解析解模型的正确性。通过线性变换将动力学逆解模型进行线性化处理,把以非线性形式隐藏在模型中的动力学参数提取出来,并分析了基于递推最小二乘法的并联机器人动力学参数辨识方法。然后通过数值法中的蒙特卡洛算法根据运动学逆解和驱动关节的转动范围计算出并联机器人的工作空间,在工作空间中选择形状规则且连续的区域设置关键点,通过三次样条插值函数生成一条连续的空间曲线作为激励轨迹。并联机器人多次运行激励轨迹,并使用巴特沃斯低通滤波器和RLOESS拟合算法处理伺服驱动器采集的数据信息,将滤波和拟合后的数据用于递推最小二乘法辨识并联机器人的动力学参数。将辨识后的动力学参数代入逆动力学模型计算得到激励轨迹的理论力矩,对比理论力矩与实际力矩验证了动力学参数的正确性。最后针对运动学控制策略和动力学控制策略中典型的PD控制和前馈控制以及伺服系统三环控制的原理进行了推导。并联机器人通过Simulink仿真平台运行标准门字形轨迹,测试了PD控制和前馈控制分别在理想情况和存在干扰情况下的轨迹跟踪控制精度,验证了基于动力学模型的前馈控制的优越性。

关键词： 管道机器人   多体动力学   冲击响应   流固耦合   聚氨酯密封盘  

摘要： 油气管道是油气资源跨地区运输的主要方式之一,而压差式管道机器人(Pipeline inspection gauge,PIG)是保障管道按时投产和安全运行的重要装备。管道内含环焊缝、弯头、凹陷变形等内部特征和缺陷,管道机器人作为复杂机械装备与上述特征发生碰撞冲击时会表现出复杂非线性动力学行为,将严重影响管道机器人的安全稳定运行。本文首先通过分析密封盘和管道机器人的力学特性,建立了密封盘的离散化动力学模型、单节管道机器人的整体动力学模型和使用双联万向节连接的多节管道机器人的整体动力学模型,推导了单节管道机器人受管内径向激励时和过弯头时的振动方程。通过推导管内一元流体方程,并编写其数值计算程序,结合Adams动力学仿真软件,建立了管道机器人的Adams模型,实现了Simulink与Adams的流固耦合联合仿真。分别对单节和多节串联管道机器人通过环焊缝、凹陷和弯头的过程进行了流固耦合联合仿真计算,对管道特征和管道机器人运行参数变化时的管道机器人振动特性进行了时域与频域分析,对管道机器人在管内因振动产生的霍尔传感器提离值变化情况开展了研究。发现管道机器人受到凹陷、环焊缝和弯头的激励作用后会产生极大的振动响应,其质心的不同方向加速度随运行和结构参数有明显的变化趋势,多节串联管道机器人可以通过双联万向节传递轴向力的作用,且各节同一时刻的受迫振动状态差异较大。针对管道机器人振动过大的问题,进一步利用了神经网络对多参数正交试验仿真数据对应的振动强度结果进行了映射与寻优,得到了振动强度最小时对应的三组管道机器人设计与运行参数。发现降低密封盘的等效刚度,改变管道机器人质心位置,并运行在合理的速度区间时,管道机器人受管内激励产生的振动响应将减弱。

关键词： 索杆混联   并联机构   运动学   动力学   力/位混合控制  

摘要： 索杆混联机器人是在传统刚性连杆机器人的基础上发展而来,用质量轻、直径小的柔性绳索取代部分大质量的刚性杆。本文主要对索杆混联机器人的动力学与力/位控制进行研究。在运动学的基础上,对机构动力学进行分析并建立模型,为机构控制策略及力/位控制奠定基础。根据机构自身的运动特性,设计适用于该机构的力/位控制方案,并对其进行实验验证。首先,详细介绍索杆混联机器人的机械结构,在Solidworks三维建模软件中搭建机构完整模型。运用矢量封闭原理对机构运动学进行分析,建立绳索长度变化数学模型,分析并求解绳索长度变化速度与末端动平台运动之间的数学关系。在Matlab软件中对求得的绳索长度以及长度变化速度公式进行编程仿真,验证运动学的有效性。其次,对索杆混联机器人运用Lagrange方程法建立动力学模型,推导机构系统动力学方程。搭建ADAMS虚拟样机,选取末端动平台的不同运动角度进行动力学仿真,并与Matlab软件中求解得到的数值进行对比,验证所建动力学方程的正确性,为机构的力/位控制和系统搭建奠定基础。再次,对索杆混联机器人的力/位混合控制策略进行详细研究,建立机构运动控制方案,分别对力控制器和位置控制器进行设计,整定控制器的核心参数。根据机构运动控制方案,在Matlab软件中搭建Simulink仿真模块,以预设运动轨迹进行仿真控制,得到机构力值变化曲线,为索杆混联机器人力/位控制实验奠定基础。最后,样机搭建与实验。对索杆混联机器人所需硬件进行选型,通过对比不同硬件型号,完成硬件选型及搭建。在软件环境中编写控制程序,设计控制器操作界面。综合硬件与软件系统,进行机构力/位控制实验,通过机构的传感器系统测得运动过程中力值数据,将数据导入Matlab软件中绘制力值变化曲线。通过与仿真模型得到的力曲线进行对比分析,验证机构力/位控制实验的有效性。

关键词： 机器人竞赛   校本课程   设计与开发  

摘要： 伴随STEAM教育的深入开展和人工智能时代的到来,近年来,国内外的机器人竞赛、程序设计大赛、创意设计活动等赛事赛项也受到社会广泛重视和关注。发展机器人教育需要长期的理论和实践探索,机器人竞赛作为推动机器人教育的一种战略性措施,则是培养学生跨学科、综合能力的有效途径之一。当前,机器人技术及应用已经渗透到社会各个领域并获得飞速发展,但就机器人教育而言,尽管一些中小学校已经将机器人教育纳入课程范围,但仍存在任课教师人工智能专业知识相对欠缺、相关的教学资源不足、课程的目标定位和内容选取把握不准、可借鉴的经验和可参考的教学样例缺少、教学实效不明确等问题。针对上述问题,本研究在总结笔者开展机器人教学的经验基础之上,设计开发了一套适用于初中学段的机器人教育的实训课程,通过教学实践,分析了其教学效果。这在很大程度上解决了机器人教育的资源匮乏问题,促进机器人教育在中学的有效推广和普及。首先,本研究梳理了机器人教育的历史并界定其内涵。通过对相关文献和资料、机器人教育的相关概念和内涵以及在实验中的发展情况进行梳理,并确定基于竞赛导向的课程设计的教学价值,为后续的课程的设计与开发奠定良好的理论基础。其次,通过问卷方式对当前机器人竞赛课程实施的现状进行调查并对存在的问题进行剖析;在分析课程需求的基础上,以项目化教学理念为指导,立足建构主义学习理论、协作学习理论、多元智能理论和“做中学”理论,从课程目标、课程内容、实施计划、考核评价四个方面对机器人竞赛实训课程进行了课程的设计。再次,本研究以“中鸣超级轨迹赛”项目为例,借鉴全国主流中小学机器人竞赛的标准和要求,开发了一套《初中机器人竞赛实训》课程,课程共28节,教材中的每节课提供了基础案例,教学内容的设计承上启下,由浅入深,环环相扣,是一套完整的实训课程。适用于教师竞赛活动的常态教学,教师可借鉴课程中的案例进行教学自主创新。笔者将开发的课程在实习学校进行为期一年的教学实践,并选择课程的重点章节“巡线机器人环境采集”、“机器人巡线”、“设计机器人的机械臂”作为教学案例进行效果分析。通过学生问卷调查、学生发展成果和教师访谈等方式教学效果评价表明:在操作层面,本课程能够让学生了解机器人竞赛理论知识,理解机器人搭建与程序设计之间的联系,较快掌握机器人竞赛技能并能在实际比赛中取得较好的竞技成绩,具有较强的教学应用价值。在育人目标达成方面,实证研究表明,课程对学生的动手操作能力、程序设计能力,乃至心理素质都有较好的促进作用。整体而言,本课程的设计与开发思路清晰、导向明确、样例典型、效果明确。作为校本课程较好解决了初中机器人竞赛教学开展过程中遇到的资源不足、课程开发、教学实施等问题,对中小学校开展机器人教育课程具有良好的借鉴价值。

关键词： 平板足被动行走机器人   动力学特性   稳定性   仿真   样机实验  

摘要： 本文主要针对平板足被动行走机器人动力学特性和实验进行研究。该机器人足型与人体接近,具有结构简单、步态自然、耗能低、通用性高等优点,是被动行走领域的重要分支。在重力作用下平板足被动行走机器人能够沿着斜坡稳定行走,其动力学特性完全取决于动力学参数和系统初值。因此本文主要通过动力学参数和系统初值分析平板足被动行走机器人的动力学特性。本文首先介绍平板足被动行走机器人理论模型,分析模型的单步运动过程,并将其划分为四个阶段:第一、第三阶段为摆动,第二、第四阶段为碰撞;同时基于拉格朗日方法和角动量守恒定律建立机器人混合动力学方程,并使用四阶龙格库塔法对方程进行求解,以及分析平板足被动行走机器人的周期步态和能量变化规律。然后使用Poincaré截面法研究斜面倾角、脚跟、脚掌、质心位置等参数变化时对平板足被动行走机器人动力学特性的影响;并使用正交扰动法求解非光滑机器人系统的李雅普诺夫指数,并对机器人分岔动力学进行验证。同时,使用周期稳定相图研究机器人在二维参数空间内的动力学特性演化规律,发现周期3和周期6等高周期步态的存在。利用Floquet乘子法和胞映射法分析机器人系统的局部稳定性和全局稳定性,结合周期稳定相图、二维吸引域、极限环、分岔图发现平板足被动行走机器人系统存在周期1与周期3吸引子共存现象,以及周期3和周期6步态存在于多种参数组合下,证明了平板足被动行走机器人具有步态多样性的优点。最后使用SolidWorks设计多组不同脚跟、脚掌的机器人仿真模型,并使用ADAMS对仿真模型进行动力学分析。同时对平板足被动行走机器人样机进行研制,并为其搭建倾斜角度可调的实验平台。在实验平台上进行样机实验,并使用Qualisys系统捕捉样机的运动轨迹,以及统计每次实验中机器人行走的步数、前倒和后倒的次数。仿真和实验结果表明:适当增加斜坡倾角、平板足的长度、脚掌略大于脚跟均有利于提高平板足被动行走机器人的稳定性。

关键词： 水陆两栖机器人   水动力分析   动力学仿真   模糊PID控制  

摘要： 水陆两栖机器人作为一种在水中、陆地及水陆过渡环境均具有较好运动能力的一类机器人,可用于海洋资源勘探、军事战略侦查、灾害营救搜救等工作,应用范围十分广泛。本文以课题组项目为依据,对国内外水陆两栖机器人的研究现状进行归纳分析,完成了机器人的结构设计、进行了水动力学分析及陆地运动学研究,制定机器人在陆地以及水下运动的控制策略,并运用LabVIEW软件开发机器人的显示操控系统。首先,对水陆两栖机器人的国内外发展现状进行综述,分析现有水陆两栖机器人的结构及运动方式,明确了水陆两栖机器人的设计指标。对机器人展开结构设计。根据作业需求校验控制舱的强度,对陆地运动机构进行相应的设计计算并完成有关机构选型。分析机器人的水下运动稳定性,针对重力与浮力之间的关系提出调整公式,根据测得的重浮力与重浮心数据,完成机器人稳定性的调整。其次,考虑到机器人的水下运动具有非线性以及强耦合性,采用势能理论和粘性流体的相关理论对机器人进行水动力学分析,同时建立直航,俯仰及转艏运动的数学模型。利用Fluent模块对三种水下运动状态进行仿真,得到机器人以不同速度及姿态工作时受到的阻力,通过最小二乘法求解得到相应的水动力系数,进而求得机器人水下运动所需要的推进力,选择适合的推进器。再次,建立机器人陆上行走机构的运动模型,对履带单元进行受力分析。建立行走机构的转向运动模型,分析转向运动时两侧履带的转速关系及受力情况,验证有关设计的合理性。根据机器人的质心位置分析不同工况下的运动稳定性,利用Recurdyn仿真软件对机器人的转向、爬坡、越障等动作进行仿真分析,将仿真结果与理论分析相对比,验证机器人的陆上运动的稳定性以及对不同环境的适应能力。然后,根据选用的推进器可得到机器人水陆运动控制系统的传递函数,通过仿真软件建立相应的控制系统仿真模型,对使用传统PID控制以及模糊自适应PID控制的控制系统模型进行仿真分析,根据得到的响应特性和误差跟踪曲线对比两种控制方案的控制效果,进而选取更适合本方案的控制方式。最后,使用LabVIEW创建水陆两栖机器人的人机交互界面,利用搭建的实验平台展开机器人的水陆运动实验,通过水下的直航、下潜、转艏运动实验分析机器人控制系统的控制效果,通过陆地直线行驶、转向及越障实验研究机器人的陆地运动能力及运动稳定性。

关键词： 桥梁检测   爬壁机器人   控制系统   ROS   SLAM  

摘要： 随着我国经济快速发展,交通运输成为了影响地区社会经济发展的关键因素,桥梁作为交通建设体系重要组成部分正处于大规模建设当中。而桥梁在长期使用过程中,由于受到风吹日晒、自然灾害等因素,容易出现表面锈蚀和断裂等现象,进而导致坍塌事故。传统检测方式多为起重设备搭载检测人员使用肉眼进行缺陷检测,不仅效率低且存在安全隐患。在最近几十年,计算机与人工智能等新兴学科的兴起并得到极快地发展,从而使用爬壁机器人代替传统人工的方式执行桥梁检测任务已成为可能。本课题旨在解决大型桥墩表面检查的可操作性与安全问题,研制一种六足式桥梁检测爬墙机器人,以代替传统人工巡视。主要进行了以下几点研究:（1）本文根据爬壁机器人的研究状况以及桥梁壁面的环境特征,并结合本项目首次开发的四足式桥梁检测爬壁机器人样机的优点与不足,制定了本文中的六足式爬壁机器人总体方案。介绍了爬壁机器人的本体结构与系统的硬件与软件。本体结构主要根据仿蜘蛛生理结构的原理进行设计,其中腿部结构采用四连杆的结构进行设计,末端真空吸盘采用压板、爪部主体、钉板的三层式结构设计。阐述了六足式爬壁机器人控制系统的软件系统与硬件系统,包括对核心器件的选型以及对软件部分各功能模块进行说明。（2）爬壁机器人运动学与动力学模型的建立。吸附式爬壁机器人在攀爬过程中站立腿由末端吸盘提供吸力支撑机身,本文所设计吸盘在计算与实测中均可为机器人在墙面吸附提供足够的吸力。为了得到摆动腿的关节驱动力矩,根据D-H坐标法建立其摆动腿运动学模型,同时使用了牛顿-欧拉迭代算法推导机器人的动力学模型。在MATLAB/Simulink中搭建模型并联合Adams软件双向仿真验证模型的准确性。（3）基于ROS（Robot Operating System）机器人操作系统创建仿真机器人可视化模型并添加仿真关节驱动器,同时对平台上层系统进行模块化拆分,包括按键控制节点、关节驱动器控制节点、逆运动学解算节点等,并借助Gazebo仿真平台验证了机器人行走步态的可行性。（4）爬壁机器人控制系统设计。采用“PC机+树莓派4B+STM32”分布式结构。其中机器人本体由STM32作为核心控制板进行关节驱动;搭载Ubuntu16.04的PC机作为地面控制终端进行控制命令的发布、机器人模型可视化与环境建图可视化;树莓派4B则作为PC机与STM32的通信纽带,与PC机通过Socket和分布式多机通信进行数据的收发,与STM32通过串口通信收发数据,同时进行传感器数据获取与发布。（5）针对爬壁机器人定位建图部分,选取SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）方式中具有代表性的ORB＿SLAM2算法与Cartographer算法做研究测试。机器人样机实测结果表明,基于ORB特征点法与图优化法的ORB＿SLAM2系统构建的稀疏点云地图由于点云不具有占据属性而无法直接用于导航,却也为后续将地图转换为octomap和多传感器数据融合方面的研究打下了基础。而引入帧间匹配法、回环检测法的Cartographer算法可以结合IMU数据构建栅格地图,测试中在实验室内地面复杂环境和墙面环境下,机器人运动过程中均可进行地图构建且由于回环检测技术使得构建的栅格地图更为精确。本文的研究成果为研制了六足式桥梁检测爬壁机器人样机,以及机器人整体控制系统的设计,对其他类型的爬壁机器人开发与控制设计具有指导意义。

关键词： 中厚板多层多道焊接   机器人动力学   振动抑制   轨迹规划  

摘要： 工业机器人因其高生产率被广泛应用于中厚板多层多道焊接生产中,但是因关节柔性的存在,机器人在中厚板多层多道焊接作业过程中,会受到焊接电弧力与加速度变化所产生的惯性力影响从而造成其末端执行器振动,导致焊缝出现咬边、虚焊等缺陷。因此,振动抑制技术是保证中厚板焊接机器人焊接质量的一种重要手段。目前机器人振动抑制方法主要通过外部传感器采集信息并进行反馈控制或改变机器人本体结构,存在成本高、控制算法复杂以及受机器人结构制约等问题。因此本文将结合中厚板多层多道焊接机器人动力学模型与关节电机电流值反馈,利用轨迹规划的方法对其焊接作业过程中的振动进行抑制。本文的主要内容如下:(1)阐述了中厚板多层多道焊接机器人的工作原理,通过分析实际工况,对其运动学模型进行了建立并搭建了样机。利用拉格朗日方程推导了考虑其关节柔性与电弧力影响的动力学方程,并利用二段式四阶隐式龙格—库塔方法对焊接机器人动力学方程进行数值求解,得到其各个连杆的实际角位移。(2)通过简化机器人动力学方程得到其振动微分方程并求解,根据振动微分方程解提出了一种机器人振动抑制技术参数,利用Adams建立了虚拟样机模型,并对其进行动态性能仿真,分析了焊接机器人运动过程中末端与各个关节的振动情况。再对振动方程进行仿真验证,并设计了机器人振动信号处理流程。(3)分析了中厚板多层多道焊接轨迹规划并对其关节运动角速度及角加速度进行合理配置从而提出振动抑制方法,利用基于罚函数的压缩因子PSO算法对中厚板焊接机器人关节轨迹进行寻优,抑制其点位运动时的振动;建立电流-力矩模型,并设定力矩误差-时间双阈值对中厚板焊接机器人进行振动预测,再采用减速-匀速-加速的轨迹修正方法,实现对其焊接过程中的振动抑制。(4)搭建了中厚板多层多道焊接机器人实验平台,通过Matlab与C#联合编程开发了中厚板多层多道焊接机器人控制软件,并进行了中厚板焊接机器人振动抑制算法实验与分析,最终通过中厚板多层多道焊接实验,验证了本文提出振动抑制方法的可行性与有效性。