关键词： Actuator dynamics   nonlinear   high-order systems   cascaded feedback   real-time trajectory tracking  

摘要： Control of nonlinear mechanical systems that have complex actuator dynamics is difficult, because the actuator dynamics are highly nonlinear and the entire system, including both the robot manipulators and actuators, is of a high order. In this study, we propose a feedback control scheme for motion control of nonlinear high-order systems and prove that it can improve the trajectory tracking performance of a robot manipulator system with actuator dynamics. Simulations and experimental results demonstrate the efficacy of the proposed control scheme. (C) Koninklijke Brill NV, Leiden and The Robotics Society of Japan, 2010

摘要： In designing and simulation of four legged walking robot, kinematics and dynamics modeling plays vital role. The kinematic model gives relation between position and orientation. The differential kinematics of leg refers to differential motion that is velocity and acceleration. Dynamic modeling gives the relation between joint actuator torque and motion of link for simulation and design of control algorithm. The objective of this thesis is the design and analysis of a four legged walking robot for the inter-leg coordination. Inter-leg coordination means the control of the phase relationships between the cyclic movements of individual legs during a rhythmic motor behaviour. The first part of the thesis (Chapter 1) is devoted to Introduction of four legged walking robot. The second part of the thesis (Chapter 2) is devoted to Literature review of four legged walking robot The third part of the thesis (Chapter 3) is devoted to Dynamics of four legged walking robot. In which of the position, linear and angular velocity vectors is given. It provides the complete linear and angular dynamics of the body. In the detailed Kinematic analysis of four legged walking robot is demonstrated, which is required for bond graph modeling. In the fourth part (Chapter 4) of the thesis Dynamics analysis is done by bond graph modeling technique. Symbol shakti tool has been used for generation of equation of motion. Dynamic formulation is done by using Iterative Newton-Euler dynamic formulation. In the fifth part (Chapter5) of the thesis simulation is done and results are discussed. The joint control is also achieved using a PD control law for each leg actuator of a four legged robot. Bond graph result are validated with the experimental results. In the sixth part (Chapter 6) of the thesis experimental design of four legged walking robot is done and walking gait pattern has been introduced.. In this chapter validation of model has done and bond graph result are validated with the experimenta

关键词： Robots   Geographic information systems   Maps   Independent study   Environmental education   Intervention   Technological change   Engineering research   Social interaction   Critical thinking   Children & youth   Academic achievement   Cooperative learning   Science   Problem solving  

摘要： This study examined the impact of robotics and geospatial technologies interventions on middle school youth's learning of and attitudes toward science, technology, engineering, and mathematics (STEM). Two interventions were tested. The first was a 40-hour intensive robotics/GPS/GIS summer camp;the second was a 3-hour event modeled on the camp experiences and intended to provide an introduction to these technologies. Results showed that the longer intervention led to significantly greater learning than a control group not receiving the instruction, whereas the short-term intervention primarily impacted youth attitude and motivation. Although the short-term intervention did not have the learning advantages of a more intensive robotics camp, it can serve a key role in getting youth excited about technology and encouraging them to seek out additional opportunities to explore topics in greater detail, which can result in improved learning. (Keywords: Robotics, global positioning system, GPS, geographic information systems, GIS)

关键词： 运动学分析   动力学分析   计算力矩控制   鲁棒控制   变结构控制   变结构鲁棒自适应控制  

摘要： 目前,对于6-DOF并联机器人的研究已成为热门领域。然而,绝大多数的6-DOF并联机器人的构型都来源于Stewart机构,鲜见其它构型的并联机器人或串并联机器人。本文所研究的是6-DOF串并联机器人,主要用于重型锻件生产自动化领域。此机构不仅具有输出精度高、机构刚性好、承载能力强等并联机构的特点,也具备工作空间大等优点。 本论文主要针对6-DOF串并联机器人的运动学分析、动力学分析、基于动力学的控制系统设计、电液伺服驱动系统设计、电液位置伺服控制等5个内容进行研究。 6-DOF串并联机器人的运动学分析兼具并联机器人和串联机器人的优点和难点,本文在求位置反解时采用了新的算法——逐次搜索法;利用一、二阶影响系数矩阵分析速度和加速度。在关节空间里对关节的运动轨迹进行规划,求得各个关节的运动轨迹。 基于Kane动力学理论,求出15个杆件的偏速度和偏角速度,推导了动力学方程,并给出了动力学基本方程系数解析形式,利用Matlab软件进行计算机动态数值仿真。分析仿真曲线,评价动力学性能,并据此更新关节运动轨迹。 基于动力学方程的控制方法很多,在控制精度、快速性和稳定性方面各有特点,控制成本和实现的难易程度也有所不同。本文采用了三种方法:计算力矩法、鲁棒控制及变结构滑模控制,对6-DOF串并联机器人进行了精确控制。通过Simulink仿真实例,比较三种方法的优劣和应用条件。 推导电液伺服驱动系统的动力学模型,即分别求取电磁伺服阀、单级电液伺服阀、阀控液压缸动力机构、负载活塞受力模型的数学模型等,最终获得三阶开环传递函数的数学模型。 采用PID校正和变结构鲁棒自适应控制对电液伺服驱动系统进行伺服控制,此系统具有良好的快速性和鲁棒性。 前面各专题采取的技术路线为基于纯理论数学推导,以Matlab/Simulink数值仿真为辅助,最终得出描述性能曲线。

关键词： 仿蝗虫跳跃机器人   起跳   运动学   动力学   仿生关节  

摘要： 仿生跳跃机器人的研究能够从生物体灵巧的运动机构和机敏的运动模式上获取灵感,使跳跃机器人的性能得到提升。本文选择间歇性跳跃生物的代表——蝗虫作为仿生对象,在建立仿蝗虫跳跃机器人机构模型的基础上,提出了仿蝗虫跳跃机器人运动学、动力学理论研究的方法,通过系统的分析揭示了仿蝗虫跳跃机器人的运动特性和跳跃机理,为建立仿蝗虫跳跃机器人的实物模型提供了理论基础。 首先,根据仿生学研究的基本方法,在前人对蝗虫生物原型研究的基础上,提出了符合蝗虫跳跃运动特征的仿蝗虫机器人的机构模型。运用机器人运动学分析的D-H法对机构模型进行了正运动学、逆运动学分析。通过引用生物学原始数据,得到了机器人起跳过程中躯体位姿的变化规律和最终的起跳速度,结果同生物实验得到的蝗虫起跳时的运动规律基本吻合。采用正交试验设计的方法分析了机器人各杆件长度变化对躯体质心速度的影响程度,其结论可作为机器人设计时杆件参数选择的依据。基于运动学分析的结果,从速度可操作性的角度分析了机构位形沿不同方向的速度传递性能。 其次,建立了仿蝗虫机器人起跳过程的多刚体动力学模型,使用扭簧模拟蝗虫后足膝关节处的弹性储能装置,采用拉格朗日法建立了系统的动力学方程,得到了各关节驱动力矩的变化规律,并与未引入弹性储能装置情况下的计算结果相对比。结果表明:在机器人膝关节处引入弹性储能装置能有效降低膝关节及踝关节处驱动力矩,使机器人的动力性能得到改善。依据动量矩定理说明了仿蝗虫机器人起跳后会翻转,通过对躯体质心轨迹的优化,使机器人起跳时获得的初始动量矩最小,从而有利于空中的姿态调整。对机器人在空中的运动进行了建模和分析,得到了各杆件角速度的约束方程。 最后,对于仿蝗虫机器人的关键部位——膝关节,提出了采用弹簧作为储能元件、凸轮作为蓄力和释放装置的仿生关节的设计方案,并对凸轮进行了优化设计。仿真结果表明,该仿生关节可以实现预定的动作。

关键词： Robot ethics   robot policy   robot law   social system design   social robotics  

摘要： As robots are increasingly integrated into human society, associated problems will resemble or merge with those in other fields - we can refer to this phenomenon as the 'robot sociability problem'. In this paper, the author first analyzes the dynamic relationship between robot ethics, robotics and robot law, and then proposes a 'practical robots' approach for solving the robot sociability problem. As this approach is based on legal regulations, the author posits that a functional platform such as a 'legislative consortium for social robotics' is crucial at the initial stage for social robotics development. In conclusion, the author discusses how a legislative consortium for social robotics will be a useful approach for solving the robot sociability problem, especially emerging structural legislative problems that are related to autonomous robots. (C) Koninklijke Brill NV, Leiden and The Robotics Society of Japan, 2010

关键词： 自由飞行空间机器人   广义雅可比矩阵   动力学控制   内力优化   非线性规划   仿真  

摘要： 随着各国空间技术的发展,空间装配任务的数量和复杂程度也在增加。以往这些任务都是由宇航员人工操作完成,但是在恶劣的环境中工作给宇航员自身的安全问题带来巨大的威胁。因此,由自由飞行空间机器人代替宇航员完成作业任务受到了广泛的关注。本文在前人研究的基础上,从对自由飞行空间机器人协调操作的运动学的研究出发,重点研究了两个自由飞行空间机器人协调操作的动力学控制问题,对空间机器人在大型空间装配任务中的应中做了一些理论的研究和探讨。 本文首先分析了自由飞行空间机器人的运动学特性,根据双自由飞行空间机器人协调操作系统的相关特征推导出了运动学方程,并求解出描述机器人机械臂和本体之间耦合关系的广义雅可比矩阵,这为双自由飞行空间机器人协调操作的运动学控制和动力学控制提供了基础。其次根据自由飞行空间机器人的动力学特性,利用Newton-Euler公式递推出负责抓持负载进行操作的机械臂各关节驱动力矩,并推导出双自由飞行空间机器人协调操作系统的动力学方程。以双自由飞行空间机器人协调操作系统的广义雅可比矩阵为基础,采用分解速度、计算力矩的方法结合PI控制方法完成系统的动力学协调控制。最后在对协调操作系统的内力优化方面采用基于非线性规划的序列二次规划方法实现系统的内力优化,仿真实验证明了此种方法的有效性。 本文对双自由飞行空间机器人协调操作的动力学控制问题进行了较为深入的研究,实现了协调操作系统的动力学协调控制、内力优化以及负载轨迹的跟踪,这对自由飞行空间机器人动力学控制的进一步研究提供了一定的理论参考。

关键词： MOBILE robots   FRICTION   TORQUE   ALGORITHMS   ENERGY consumption   CONTROL theory (Mathematics)  

摘要： Controlled periodic motions of a planar two-link robot in a horizontal plane when there is dry friction are considered. The two-link is controlled by means of an internal torque applied to the joint connecting the links. The dynamics of the two-link, taking into account the influence of friction forces and the constrained nature of the control torque, is analysed assuming that the angle between the links is small. The conventional locomotion algorithm of a two-link is modified to ensure rectilinear displacement of the two-link. The influence of various geometrical and mechanical parameters of the system on the average rate of locomotion and on the power consumption during the motion of the two-link robot in a plane is investigated. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

关键词： 康复训练机器人   虚拟样机   动力学仿真   滑模控制   重心轨迹  

摘要： 临床医学和医学理论证明,对于偏瘫病患而言,除了前期必要的药物治疗和手术治疗外,科学合理的康复训练对于康复和提高病患的肢体运动功能具有重要作用。本文设计全方向下肢康复训练机器人主要目的是:提供一种可靠的步行训练机构,对病患进行智能化康复训练;维护老年人身体健康,延缓老年人步行能力衰退。 采用了虚拟样机技术,使用Pro/E、Mechanism/Pro及Adams软件联合建立康复机器人虚拟样机。详细论述了建立机器人Pro/E机械模型的过程、建立机器人Adams动力学模型的过程及上述建模过程中参数的选择,并进行动力学仿真。仿真结果验证了机械结构的可行性,指出原有设计缺陷,并提出合理的改进方案。设计了基于滑模控制理论的下肢康复机器人轨迹跟踪控制器。通过对四个车轮电机控制电压仿真分析,表明了该控制器符合康复要求。提出将下肢康复机器人机械系统和控制系统共用一个模型进行仿真分析的新方案,将动力学模型直接转化为MATLAB/Simulink中的模块。最后,开发制作了全方向下肢康复机器人样机并进行了轨迹跟踪实验,实验表明物理样机轨迹跟踪准确,符合下肢康复机器人要求。 创新性工作:采用虚拟样机技术,使用Pro/E、Adams两款软件联合建模仿真,分析了设计的可行性;设计了基于滑模控制理论的轨迹控制器;Adams虚拟样机模型导入MATLAB中生成控制模块,作为后续进一步研究的基础;设计并制造了新的下肢康复机器人,提高病患行走的能力,并保障其安全。

关键词： 球形机器人   风力驱动   内外驱动   环境探测   动力学  

摘要： 本文分别以多形态的风力驱动球形机器人和内外混合驱动球形机器人为对象,对其进行了动力学建模和分析。具体研究内容及成果如下: 1、运用Kane方法建立了该机器人的弹跳动力学模型;运用牛顿力学方法建立了其滚动、滑动及漂浮动力学模型;最后将弹跳、滚动、滑动和漂浮运动方式有机结合,并考虑环境中随机风的作用,实现了风力驱动球形机器人的运动仿真,并开发了球形机器人运动分析仿真软件。 2、对于内外混合驱动球形机器人,根据机器人的非完整约束,运用Maggi方程无需引入约束乘子建立了其动力学模型,该模型可用来分析机器人在内、外驱动单独作用或共同作用下的运动性能。仿真结果表明所建动力学模型的正确性。 3、在上述工作基础上,分析了环境参数和机器人结构参数对这两类机器人运动性能的影响规律,为这两类机器人的设计提供了依据。