关键词： Applications  

ISBN: (数字)9780821892565 ISBN: (纸本)9780821801635

摘要： The central problem of robotics is the analysis and replication of patterns of movement required to accomplish useful tasks. Physicists have found that deeper examination of the physical world often reveals inadequacies in the vocabulary and mathematics used to describe it; in much the same way, roboticists have found it quite awkward to give precise, succinct descriptions of effective movements using the syntax and semantics in common use. What is needed to produce general purpose robots is a more expressive means for discussing movement. This volume focuses on some of the ways that mathematics can be used to address problems in this area. Focusing on some of the important mathematical questions arising in the field of robotics, this book conveys a sense for the effectiveness of mathematics in capturing the essence of robotics problems. In addition, the book will make readers aware of the way in which computer control interacts with geometry. The first four papers deal with kinematics and control, relying on realistic models for kinematic processes. The last two papers have more of the flavor of computer science and are concerned with the symbolic descriptions of motion, including the treatment of uncertainty. The book is directed toward mathematically literate readers interested in finding out about the questions that arise in robotics and how mathematics can help answer them. A mathematical background at the level of an undergraduate degree in mathematics and some knowledge of basic mechanics is assumed.

关键词： 四足步行机器人   手脚融合   结构设计   模块化   动力学   ADAMS仿真  

摘要： 经过近半个世纪的发展，多足步行机器人仍然存在着功能单一，可维护性差等缺点，且通常作为一种单纯的移动平台,或者配置特定的机械臂才能完成作业，使多足步行机器人的应用受到限制。本文以国家自然科学基金“具有手脚融合功能的多足仿生机器人构型及建模”为依托，开展四足机器人的构型设计及动力学相关问题研究。 论文综述了多足步行机器人的国内外发展概况，并对其优缺点进行对比分析。此外，对多足步行机器人及机械臂的动力学理论进行简要的综述。 根据手脚融合功能四足步行机器人的技术要求，参考国内外多足步行机器人的设计经验，提出一种具有手脚融合功能的四足机器人总体结构方案。基于模块化设计思想，对步行机器人的构型进行设计，该机器人由机架模块、腿部模块、控制模块组成。设计了两种具有手脚融合功能的机械手构型：夹钳机械手、欠驱动多关节机械手构型，并对其性能进行对比分析。 四足步行机器人是一个复杂的动力学系统，具有多个输入输出，存在复杂的耦合性和非线性。为实现机器人的最优控制，对四足机器人的动力学问题进行研究。运用D-H法建立机器人连杆坐标系，对其运动学进行分析。在此基础上建立了机器人动力学模型，推导了机器人各条行走腿的动力学方程，为机器人的运动控制和轨迹规划提供了依据。 针对机器人手脚融合腿的特殊工作性能，对其在抓取物体状态下的动力学问题进行研究。考虑重力的影响，运用牛顿-欧拉算法，建立机器人手脚融合腿的动力学方程，并通过算例进行了验证。 运用ADAMS软件对四足步行机器人的动力学特性进行仿真分析。以机器人直线行走、调整姿态抓取物体为例，对机器人在运行过程中的力学特性进行分析，得到机器人各关节的转速、转矩等参数。仿真结果为机器人的结构优化、轨迹规划、电机及驱动器的选择提供依据。 本文还对机器人的轨迹规划问题进行研究，针对机器人的两种典型运动规律，运用ADAMS软件进行仿真验证，其结果为基于降低能耗的机器人运动轨迹优化提供了思路。本文的研究方法及结果对解决同类问题有一定的参考意义。

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： humanoid robots   human motion   walking and running   mathematical models   optimisation  

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关键词： 并联机器人   Newton-Euler法   动力学建模   计算力矩控制   最优控制  

摘要： 将并联机器人应用于自由曲面抛光已成为曲面抛光的一种趋势，如何提高抛光精度已成为并联抛光机器人研究的一个重要任务。加入动力学前馈控制的并联抛光系统，可以预测抛光头的速度和加速度，当它的运动轨迹偏离给定的轨迹时系统可以快速作出反应，从而提高系统响应速度和控制精度，这将为并联抛光机床的实用化、商用化提供重要保障。因此对并联抛光机器人进行动力学建模及动力学控制是提高并联抛光机器人精度极为重要的环节，具有重要的现实意义。 本文对五自由度并联抛光机器人机构进行了分析，建立了该并联抛光机器人的动力学模型，对其进行了动力学控制仿真，并对并联抛光机器人系统进行了在随机扰动作用下最优控制器的设计。 首先，对并联抛光机器人机构进行了分析，为各个支链建立了D-H坐标，利用Newton-Euler法建立了该并联抛光机器人的动力学模型，给出矩阵形式的动力学方程，并得出并联抛光机器人的状态方程。 其次，基于并联抛光机器人状态方程，分别设计了计算力矩控制器和最优控制器，利用MATLAB对该并联抛光机器人系统分别进行了计算力矩法和最优控制的动力学控制仿真，并得到在无干扰作用下和有干扰作用下的仿真结果，最后分析了对比了这两种控制方法的实际控制效果和抗干扰能力。 最后，对随机扰动下并联抛光机器人系统进行分析，分别设计随机扰动和参考输出的降维观测器，然后设计了在随机扰动下并联抛光机器人系统的最优控制器，并进行了MATLAB仿真，并对其仿真结果进行了分析。

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： 仿人机器人   接触碰撞   碰撞动力学   假设模态   肢体姿态  

摘要： 接触碰撞是仿人机器人之间或机器人与人之间协同工作的基础。柔性碰撞动力学是接触碰撞研究的难点。仿人机器人在非结构化环境中移动时，失去重心倾倒情况不可避免。本文针对仿人机器人的倾倒动作，重点研究倾倒及发生碰撞过程中，仿人机器人上肢体相应的碰撞动力学响应和缓冲调节方法。 首先，阐述了柔性碰撞动力学研究、数值计算与动力学仿真等的发展历程和研究现状，介绍了柔性碰撞动力学建模所涉及的问题和解决方法，揭示论文选题的意义。 而后，分别建立仿人机器人肢体刚性和柔性运动学模型;用D-H参数和齐次变换矩阵描述仿人机器人臂杆的位姿;基于Euler-Bernoulli梁描述臂杆的柔性变形;并用假设模态法对上肢体臂杆弹性变形进行解耦;为研究仿人机器人上肢体与墙壁碰撞过程中的动力学响应，用Hertz接触理论和非线性弹簧-阻尼模型描述上肢体与墙壁碰撞接触过程，并分别推导出单臂和双臂上肢体与墙壁碰撞接触力表达式;通过假设模态法和二阶模态来量化上肢体臂杆的弹性变形;同时考虑上肢体臂杆弹性和重力势能的影响，采用Lagrange方程，分别推导出单臂和双臂上肢体倾倒及与墙壁发生碰撞过程的动力学方程。 为了对比柔性肢体和刚性肢体碰撞的不同，首先利用ADAMS建立刚性上肢体虚拟样机模型，进行击掌碰撞动力学仿真;通过编写的变步长四阶Runge-Kutta数值求解程序，用于求解上肢体倾倒过程及发生碰撞过程的运动学和动力学方程;并建立了ADAMS与MATLAB联合仿真平台，用于碰撞力控制仿真。 实验中，仿真求解并分析了仿人机器人上肢体柔性碰撞前后的动力学响应。仿真了上肢体臂杆在不同抗弯刚度下的碰撞动力学响应，得到了仿人机器人上肢体臂杆末端接触力、关节转角、角速度和弹性变形曲线。对比可得，随着抗弯刚度值EI增大，接触力变大且峰值出现的相位提前，且碰撞后柔性臂关节转角变小，弹性变形和角速度的振动都减小;抗弯刚度值EI减小时，接触力变小，缓冲效果较好;仿真了不同阻尼下的碰撞动力学响应，上肢体本身考虑结构阻尼时，转动角速度和末端弹性变形在短暂振动后，趋于稳定变化;无阻尼时，角速度和弹性变形振动呈现周期性恒幅振动;进一步仿真实验发现，上肢体末端受到的法向接触力与双臂的姿态有很大关联;通过改变双臂的屈曲状态，可调整上肢体整体对肩关节的转动惯量减小，增大上肢体末端的速度，延长接触时刻，调节碰撞力，实现碰撞过程中的主动缓冲调节;上肢体整体结构刚度阵行列式随肘关节屈曲角度加大呈下降趋势，降低碰撞前上肢体末端速度来增加缓冲时间;最后，建立了仿人机器人上肢体末端与外界接触力的控制模型，并通过ADAMS与MATLAB联合仿真平台进行验证。 本文通过MATLAB编制的数值求解算法可实现仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学全过程动力学仿真。仿真实验描述了上肢体与墙壁碰撞过程的动力学特性，验证了本文所建模型与求解算法的有效性。本文的工作对于仿人机器人碰撞动力学研究和控制有一定的参考价值。

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： 分子靶向治疗   淋巴瘤   纳米操作   机器人学   业界  

摘要： 纳米操作机器人靶向治疗淋巴瘤获进展由中国化学会主办的SCI检索国际期刊Acta Physico-Chimica Sinica(《物理化学学报》),在最新一期以封面文章的形式发表了中科院沈阳自动化研究所微纳米课题组的一项淋巴瘤分子靶向治疗方面的最新研究成果,研究人员利用MEMS工艺加工的微柱阵列对单个细胞进行夹持固定,然后利用纳米操作机器人进行探测。相关研究受到了国家自然科学基金、中国科学院和机器人学国家重点实验室的

关键词： 乒乓球机器人   动力学   击球模型   控制系统   联合仿真  

摘要： 为实现乒乓球机器人准确、灵活、快速击球的目标，本文对乒乓球机器人机械系统与控制系统进行了理论分析，并结合真实击球环境对乒乓球机器人的联合仿真进行了深入研究。 对乒乓球机器人进行动力学分析，利用拉格朗日法建立6R串联机器人和3-RPS+RP混联机器人的动力学方程，用五阶多项式规划乒乓球机器人击球轨迹，并通过动力学仿真验证乒乓球机器人动力学模型的正确性与击球轨迹的合理性。 建立乒乓球机器人的击球模型，包括乒乓球运动、球与球拍及球台的碰撞;通过预测乒乓球运动轨迹，规划击球路径，仿真实现乒乓球机器人多方位、多回合的击球场景;对碰撞仿真失效现象，提出碰撞失效原理与解决办法，并仿真验证了解决方法的有效性。 分析乒乓球机器人控制系统，采用位置、速度和电流三环伺服控制原理，建立控制系统数学模型，利用PID控制原理，通过仿真对系统控制参数进行整定，实现了对机器人控制系统位置和速度的准确控制。 对乒乓球机器人进行联合仿真，建立基于位置控制和力控制的仿真模型，对混联机器人3-RPS+RP进行联合仿真，验证了乒乓球机器人模型的正确性与轨迹跟踪特性;实现机器人双机对打虚拟场景，对机器人性能指标进行评价和优化，确定合理的样机设计参数，为乒乓球机器人样机的研制提供理论指导。