关键词： 空间机器人   空间机器人  

ISBN: (纸本)9787030709554

摘要： 本书以空间机器人抓捕空间非合作目标为对象，详细介绍了抓捕前、抓捕中、抓捕后的相关理论与方法，内容包括：抓捕前的非合作目标的智能识别、运动观测、运动预测、近距离交会、姿态演化、主动消旋等，抓捕中的空间机器人无扰路径规划控制技术及几种抓捕策略，抓捕后的非合作目标惯性参数辨识技术、卫星组合体消旋及姿态快速稳定控制技术。另外还介绍了空间机器人关节柔性及摩擦建模、容错控制、追逃博弈等。

关键词： 机器人   机器人工程   机器人应用   选题策划  

摘要： 本文分析了教育部新增的“机器人工程”的专业设置和课程建设内容，针对机器人相关专业跨学科的特点，提出策划机器人相关专业基础课程教材的方法，建议通过深入了解所跨学科的内容，研究如何更好地进行机器人相关专业课程的建设，进一步将作者选择和选题落实的工作做实。

关键词： 系统动力学   工业机器人   产业发展路径  

摘要： 在创新性资源发展有限的背景之下,如何能够促使机器人系统集成,关键零部件以及机器人本体等产业链的不同领域合理分配这些创新性的资源,是进一步解决关键问题的核心所在.系统动力学的模型构建形成工业机器人产业发展的模型,并且借助现实数据对机器人产业的不同领域发展进行全面的仿真与分析.研究过程当中可以发现,工业机器人产业在发展的初期,产业政策上的支持重点则主要通过系统的集成为主要内容,以机器人本体与关键零部件的发展为支撑.在后期的发展过程当中,机器人本体领域的发展也已经逐渐超过系统集成这一领域,在此发展阶段,应当以机器人本体与关键零部件为主,系统集成为辅.

关键词： 创新实验室   机器人竞赛   STEAM教育  

摘要： 本文主要以郑州51中在中学实验室建设中在机器人活动方面的经验进行总结，开展了以机器人竞赛活动为主导的探索和实践，探索进一步融合学科知识，培养合作能力和创新能力的路径，以期有效提升学生创新能力、实践能力与团队协作能力，从而进一步找到适合STEAM教育开展的合理科学的方式。

关键词： 动力学参数辨识   激励轨迹   递推最小二乘法   摩擦力模型  

摘要： 随着六自由度机器人在工业现场和人们日常生活中的应用日益广泛,为了实现机器人的高速高精度控制,往往需要获得机器人准确的动力学模型,而模型的精准与否主要取决于动力学参数,因此对于机器人动力学参数辨识方法的相关研究尤为重要。本文针对机器人动力学参数辨识的关键技术作出改进,重点从激励轨迹的设计优化、参数辨识的方法以及摩擦力建模和辨识这几方面开展研究,旨在进一步优化辨识方法并提高最终结果的精度,为基于动力学模型的精确控制提供基础和先决条件。首先,对六自由度机器人的动力学参数辨识方案进行了整体设计。通过PUMA560机器人示例,分析了其运动学与动力学建模过程,并给出了六自由度机器人动力学参数辨识依据和基于最小惯性参数集的辨识原理,为后文的参数辨识工作提供基础和理论依据。其次,对参数辨识所需的激励轨迹进行设计与系数优化。在对不同轨迹模型的特点进行分析之后,选择了基于傅里叶级数型的轨迹作为激励轨迹的模型并以最小化观测矩阵条件数作为系数优化的指标。在对轨迹系数进行优化时,提出了一种改进的遗传算法,同传统算法相比,该改进方法在快速收敛能力和全局优化能力上都有一定的提高。根据改进方法所得结果给出了优化后的激励轨迹的具体描述并验证了其正确性。然后,设计了基于最小惯性参数集的改进辨识算法进行参数辨识。将通过改进方法所得的辨识结果同传统方法加以比较,利用拟合力矩与实际力矩的均方根误差对比结果说明了改进的方法在辨识效果上具有的优越性。另外,设计了验证实验完成了模型验证的工作,并根据所得机器人逆动力学模型设计了前馈控制仿真,结果证明了根据改进方法所得到的辨识结果的正确性与有效性。最后,提出了一个改进的非线性摩擦模型,并对相关系数进行了辨识。针对现有模型存在的一些缺陷,提出了一个能够对摩擦低速行为同样进行较好描述的模型,通过在实际机器人上采集的数据对模型进行系数辨识,对比分析了改进模型与传统库仑黏性模型对摩擦力矩的拟合效果,结果说明改进模型具有更高的拟合精度,并且改进模型还具备在零速连续的特性。

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： 信息型文本   交际翻译理论   《机器人学与人工智能:伦理导论》  

摘要： 人工智能与机器人等信息化技术的迅速发展对人类的生活和工作产生了重大影响,推动了社会进步。但随着人工智能的广泛应用,其安全和隐私问题已经成为公民、企业和政策的主要关注点。基于此,译者选择了《机器人学与人工智能:伦理导论》这一本讲述人工智能伦理问题的著作作为翻译实践的对象。 《机器人学与人工智能:伦理导论》由施普林格国际出版社于2021年出版,译者节选了第6章至第11章作为翻译实践材料。作者在这些章节主要通过列举实例的方式,从伦理道德的视角介绍和解释人机交互领域所面临的真实困境,并讨论人工智能和机器人在教育、医疗、军事、自动驾驶汽车等领域的应用,以此来帮助读者正确看待人工智能,深入了解其背后的伦理困境。 原文涉及大量专业术语和背景知识,其目的在于传递科学知识,强调内容的真实性和信息传递的客观性,它与纽马克文本类型分类中的信息型文本的特征相吻合。纽马克的交际翻译理论以目标语读者为中心,注重目标语读者的理解和反应,强调交际效果,要求译者突破原文形式局限,对译文做出适当调整和改变,以求译文符合目标语读者语言习惯,使原作的思想和内容更容易被目标语读者接受。根据纽马克文本类型分类,信息型文本借助交际翻译理论指导更具适用性,因此译者选择了交际翻译理论来指导此次翻译实践。在理论的指导下,译者采用了意译、转换、增译、加注等翻译方法和技巧来处理词汇、句法和语篇三个层面遇到的难点,力求译文流畅,准确传递原文信息,且符合目标语读者语言习惯。 通过此次翻译实践,译者已初步了解了信息型文本的文本特点和翻译方法,同时认识到了交际翻译理论指导实践的重要作用,为以后对此类文本的翻译工作奠定了一定的经验基础。

关键词： SCARA机器人   关节柔性   动力学模型   动力学参数辨识   双编码器机器人  

摘要： 随着“工业4.0”和“智能制造2025”的相继提出,中国制造业正朝着自动化、绿色化及智能化等方向发展。工业机器人作为制造业升级的关键,在3C电子、车辆制造、精密加工等行业应用广泛。其中,SCARA机器人因其灵活性高、运行速度快、定位精度高等良好的特性,在工业自动化市场中被大多数企业青睐。随着市场份额加大,对SCARA机器人的性能指标也提出了更高的要求,因其高端技术应用大多以动力学模型为其基础理论支撑,并且在一、二轴关节处使用谐波减速器传动,将不可避免带来关节柔性,故需建立考虑关节柔性的SCARA机器人动力学模型才更加符合实际应用。在实际中,机器臂工件加工和装配时将引入结构误差,使SCARA机器人存在个体差异,关节刚度和摩擦也无法从理论模型知晓,所以必须通过参数辨识方法获取到实际动力学参数值。本文为了得到更加贴近真实的SCARA机器人动力学模型,进行了考虑关节柔性以及非线性摩擦的SCARA机器人动力学参数辨识研究。主要研究内容如下:首先,设计了从模型建立-消除刚度项-模型线性化-激励轨迹参数设计及优化-数据采集并处理-惯性参数及摩擦系数辨识-关节刚度辨识-模型验证的完整参数辨识流程,并详细讲述了本实验所采用的双编码SCARA机器人的软硬件平台,为后续研究奠定了基础。然后,采用D-H法建立SCARA机器人运动学模型,并求出SCARA机器人的运动学正逆解,作为动力学建模的基础;采用Lagrange方程建立动力学模型,该模型即考虑了关节柔性,又考虑了连杆侧与电机侧的非线性摩擦,使之更符合SCARA机器人的实际动力学模型。接着,通过因式分解法对动力学方程进行线性化处理,得出待辨识动力学最小参数集。再基于有限项傅里叶级数,选定动力学方程中回归矩阵的条件数作为优化指标,设计并验证了该动力学模型的最优激励轨迹。最后,将最优激励轨迹下发给双编码器SCARA机器人,利用伺服软件分别采集各关节反馈电流、电机编码器值、减速器输出端编码器值;将采集得到的数据经过均值滤波+巴特沃斯低通滤波+flitflit零相移滤波器处理后,代入动力学模型中,利用最小二乘法求出待辨识的摩擦系数和惯性参数,接着将辨识结果中电机惯量和电机摩擦系数代入电机侧动力学模型中估算出关节刚度,完成所有参数的辨识,选择不同于激励轨迹的另外一条轨迹验证参数辨识结果,求得残差均方根误差值都在2以内,说明了参数辨识结果的正确性。本文的主要创新之处在于采用一次辨识实验即可获得所有待辨识参数,且辨识误差都在可控范围内,极大地简化了工业机器人出厂流程,提高了效率,对实际生产制造具有重要意义。

关键词： 全向移动机器人   轨迹跟踪   滑模控制   编队控制  

摘要： 本文以四轮全向移动机器人为研究对象,针对现有控制器误差收敛速度慢、质心与重心不重合、未知干扰较多、模型参数不确定或参数摄动等问题进行系统的研究,同时简单探讨了多移动机器人的编队控制。本文的主要研究内容如下:1.四轮全向移动机器人数学模型的建立。基于四轮全向移动机器人运动学和动力学模型示意图,分析得到其约束方程,并归纳得到其数学模型的标准形式。然后,基于直流电机模型推导得到包含驱动电机信息的四轮全向移动机器人动力学模型。2.针对质心与重心不重合的情况,提出了一种双幂次趋近律的快速滑模轨迹跟踪控制方法。首先,在考虑质心与重心不重合的基础上,结合移动机器人满足的运动学约束方程,得到其轨迹误差模型。然后,基于误差模型设计了新的滑模面,并运用双幂次趋近律来设计线速度控制器和角速度控制器,以此来提高系统误差的收敛速度。最后,证明了系统的稳定性并对其系统的收敛时间进行了定量的分析。仿真结果表明,本文设计的控制器响应速度快,稳定时间更短,系统的误差收敛速度快。3.针对因模型参数摄动以及未知干扰导致轨迹跟踪控制性能变差问题,提出了一种基于ASMCFR的全向移动机器人轨迹跟踪控制器。首先,基于含驱动电机信息的动力学模型建立滑模控制器,并引入滤波器削弱抖震现象。其次,设计了参数自适应律来削弱参数摄动给控制性能带来的影响。然后,利用RBF神经网络对滑模控制律中切换增益进行实时调整,进一步降低抖震带来的影响。最后,证明了系统的全局稳定并进行了仿真验证。仿真结果表明,该方法能够很大程度削弱抖震现象,同时在降低模型参数变化带来的负面影响方面也具有显著的效果。4.多移动机器人的编队控制。基于领航跟随方法提出了一种新的编队控制方法,领航机器人采用基于ASMCFR的轨迹跟踪控制器对理想轨迹进行跟踪;跟随机器人采用双环编队控制器对领航者进行跟随。双环编队控制通过位置控制器和姿态控制器来保证系统的稳定性。外环跟踪两机间距,然后产生角速率命令提供给内环;内环通过跟踪外环提供的角速度,完成跟随。最后,通过仿真验证了方法的可行性。

关键词： 连续型机器人   线驱动   多体系统   实时动力学  

摘要： 连续型机器人作为一类新兴的仿生机器人，具有强灵活性以及高安全性的作业特点，针对医学介入手术、医疗康复，空间抓捕、辅助操作、生产检修、水下捕获等非结构环境具有广泛的应用前景。然而，连续型机器人依赖于自身的柔顺变形进行作业，也给其带来了变形不确定、物理量反馈有限、作业稳定性低以及作业精度差的问题。因此，本文在总结已有研究的基础上，聚焦于线驱动连续型机器人的动力学建模、数值求解及其感知等方面进行研究，有助于解决阻碍连续型机器人广泛应用的问题。主要工作如下：　　(1)考虑系统中刚性/柔性部件运动的耦合效应，基于虚功率原理建立了一种考虑牵引线约束及摩擦的线驱动连续型机器人高保真度刚柔耦合动力学模型。根据牵引线与机器人动态位形的几何关系，采用牵引线时变驱动长度建立系统的几何约束方程，使其能充分反映牵引线对机器人位形的约束作用，推导出拉氏乘子与牵引线驱动力关系式，进一步考虑了牵引线的摩擦影响。通过多组数值仿真与样机实验的对比分析，所建立的动力学模型适用于单/多根线驱动的单/多串联臂的连续型机器人，并且适用于空载/存在外载荷的复杂场景。　　(2)线驱动连续型机器人的实时动力学分析。基于集中质量矩阵法将梁单元的惯性力虚功率等效离散为三点求和形式，采用梁单元在共旋坐标系内为小变形的假设，进一步将梁单元的重力虚功率离散为求和形式，减小数值计算困难。从力学原理出发，基于模型降噪法滤除系统中的高频分量。通过多组数值仿真与实验结果的对比分析，所建立的动力学模型显著地降低了系统方程的刚性，不仅可以使用刚性微分方程积分器进行求解，还可以使用传统的非刚性微分方程积分器计算;在保证给定数值计算精度的条件下，有效地提升数值计算效率，并且实现了平缓驱动的连续型机器人动力学模型的实时求解。　　(3)线驱动连续型机器人牵引线动态张力及张紧/松弛驱动状态的感知。通过分析牵引线在机器人内部的运动规律，基于Stribeck的库伦摩擦模型描述牵引线滑动摩擦力，并给出牵引线张力沿路径的传递函数，可以准确地反映牵引线张力沿路径的损失，并可以捕捉到牵引线张力的迟滞现象。研究牵引线驱动状态与张力的物理关系，提出了一种求解牵引线张力的非线性互补方法，不仅可以准确地计算牵引线张力，还可以得到牵引线的驱动状态。通过数值仿真与样机实验结果的对比分析，所提出的感知方法可以在仅使用驱动长度数据的条件下，有效地实现机器人大位移大转动、弯曲及扭转变形的张力及张紧/松弛驱动状态的感知。　　(4)线驱动连续型机器人动态外载荷感知。分析牵引线与机器人内部结构的自接触行为，建立牵引线接触点检测模型，进一步提升力学模型的准确性。在此基础上，建立将牵引线的张力作为输入的动力学模型，将约束方程与系统广义加速度相关联，给出了动力学模型的求解算法。该方法仅需牵引线的张力及驱动长度数据即可实现，无需使用位形传感器或在交互区域安装力传感器，降低了机器人的硬件要求。实验验证了其有效性。