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。

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： 协作机器人   迭代优化   动力学参数辨识   外力观测器  

摘要： 随着消费者的个性化需求日益增强,制造业朝着小批量、新颖化的生产模式发展。协作机器人既能帮助工人摆脱重复的体力劳动,又能与工人安全地交互,可以适应频繁变化的需求,因此近年来协作机器人发展迅速。安全性是人们对协作机器人的第一要求,而可靠的外力检测是则是最为重要的技术保障,准确的动力学参数又是外力检测的基础。因此,本文围绕动力学建模、动力学参数辨识和外力观测这三个方面展开工作,以此保证协作机器人的安全交互。 本文以溱者机器人Chin7为依托开展机器人动力学相关研究工作。首先,本文建立了机器人的动力学模型并对其进行线性化,利用解析法获取了机器人最小惯性参数集,并推导出了基于最小惯性参数集的牛顿欧拉动力学递推公式。 接着,本文使用迭代优化观测矩阵条件数的方式获得多条激励轨迹用来进行辨识,相对于只优化一条激励轨迹,该方法覆盖了更大的工作空间,从而获取了更多的机器人位姿,激活了更多参数,使得辨识结果更准确。 获得激励轨迹后,本文使用考虑复杂摩擦模型、异常数据剔除、物理可行性约束的迭代优化的辨识框架来获得机器人的最小惯性参数集,与最小二乘法相比,该方法获得的参数更加准确且符合物理事实,在机器人动力学实验中使用更加可靠。随后,针对迭代优化框架辨识时间长的问题,本文提出了基于F统计量的降维迭代优化辨识框架,该方法使用统计学知识剔除了对关节力矩计算几乎没有贡献的参数,使得参与优化的参数减少从而提高了辨识效率。此外,为了使摩擦力模型更符合事实,本文将摩擦力模型改成了更为复杂的Stribeck模型并设计了迭代优化实验,使得机器人关节在低速范围内的摩擦力估计更为准确。 最后,本文利用获得到的准确动力学参数进行外力观测器实验。针对不同使用场景提出了广义动量观测器、扩展状态观测器、高阶有限时间收敛观测器,并通过仿真和实验对比了这些观测器在机器人上的外力估计效果。

关键词： 机器人动力学   参数辨识   人机交互   力估计   碰撞检测   牵引示教   自适应卡尔曼滤波  

摘要： 工业环境中人机协作要求日益增多,如何能确保操作人员与机器人安全地共享作业空间以及实现流畅便捷的交互成为当前协作机器人面临的挑战难题。本文以小型工业机械臂为研究对象,在不使用外部传感器情况下实现碰撞检测及牵引示教的人机交互目标。以低成本方案实现人机共存、人机协作不但具有经济价值,同时可深化人机交互方面的理论研究。为此,本文针对无外部传感器的人机交互控制与碰撞检测研究中的机械臂动力学参数辨识、交互力观测器设计、碰撞检测以及人机交互控制等关键问题展开如下工作:准确的机械臂动力学模型是交互力估计的基础。针对动力学参数估计问题,提出一种结合鲁棒线性回归与最小二乘方差分量估计的动力学参数估计方法,在迭代估计中剔除不符合动力学模型的异常测量数据以提升辨识结果对异常数据的鲁棒性,并在合理假设关节力矩噪声方差矩阵结构后,得到力矩噪声方差的最佳线性无偏估计。此外,为保证辨识参数有物理意义,并在参数估计时考虑物理可行性约束。与此同时,为降低关节力矩测量噪声对参数辨识结果的影响,基于机械臂动力学参数辨识结果是每个关节独立辨识结果加权之和的分析思路,通过对关节子回归矩阵的优化得到了更加均衡的激励轨迹,并在理论上给出优化子回归矩阵的必要性。实验结果表明,利用所提动力学参数辨识及激励轨迹设计方法可提高动力学参数辨识准确性,有效地避免了交叉验证时关节力矩拟合精度的下降。与传统方法相比,交叉验证时关节力矩拟合均方根误差最多下降40.5%。为给人机交互控制及碰撞检测提供力信息,需设计扰动观测器估计交互作用力,为此提出一种新的自适应卡尔曼滤波算法用于估计作用力。首先借助对离散时间代数黎卡提方程的摄动分析,给出了待观测系统能否适用自适应卡尔曼滤波的判断依据,并给出了符合条件的交互力观测系统模型。然后基于噪声协方差不匹配对卡尔曼滤波性能影响的理论分析,结合斯坦因无偏风险估计,提出一种全新思路的自适应卡尔曼滤波算法,并讨论正则项对所提自适应卡尔曼滤波的影响。最后将自适应卡尔曼滤波应用到交互力矩估计上,通过仿真及实验表明,与已有的几种观测器估计结果相比,所提算法能自动平衡噪声放大及跟踪性能之间的权衡,交互力估计误差总体上最小。负载变化、摩擦系数改变等因素使得机械臂动力学模型存在误差,交互力观测结果存在不可忽视的残差对碰撞检测造成不利影响,为此提出一种基于自适应滤波的碰撞检测算法以应对模型不确定性。首先通过分析交互力矩估计残差,给出残差力矩合理简化的时变参数线性模型。然后采用方向遗忘递归最小二乘法解决弱激励条件下的时变参数估计问题,避免了传统自适应滤波算法(如指数遗忘递归最小二乘法)存在的估计饱和、参数发散问题。利用时变参数估计结果,得到交互力矩观测残差的滤波结果及自适应动态检测阈值,以此实现模型存在误差时的碰撞检测。在物理机械臂上实现无外部传感器的人机交互控制与碰撞检测验证。结合交互力矩观测结果和导纳控制,实现无外部传感器的机械臂交互控制。基于鲁棒性能优化,给出了导纳控制参数优化选取方法,并实现牵引示教的人机交互应用,在作业空间完成连续轨迹示教任务。实验结果表明,本文所提方法能在不借助力传感器的情况下实现流畅、稳定的牵引示教。在碰撞检测验证上,利用交互力矩的估计结果,对动力学模型较准确及带负载导致模型不准确的情形分别进行碰撞检测验证。当模型较准确时,采用简单阈值即可有效检测到最低20 N的碰撞力;而当机械臂增加负载而导致模型不精确时,利用所提自适应滤波碰撞检测方法可克服模型不确定性的干扰,实现对动态冲击力的检测。

关键词： 仿蠕虫机器人   折纸结构   三维运动   运动步态分类   动力学仿真   起竖  

摘要： 近年来,仿蠕虫机器人因拥有狭窄空间的运动能力受到学术界和工程界的广泛关注。与传统的移动机器人不同,仿蠕虫机器人为无腿式机器人,移动是通过多个软体节依次变形生成后退蠕动波实现的。当仿蠕虫机器人用于执行环境监测等工作时,需要在蠕虫头部搭载视觉载荷。此外,不但需要仿蠕虫机器人具有一维(直线)和二维(平面)的高效运动能力,而且需要三维快速和稳定的起竖,并具备出色的空间可达性。本博士论文针对这些问题,开展了仿蠕虫移动机器人一维、二维和三维运动能力的研究。 针对体节大变形的需求。本博士论文设计了以Yoshimura-ori折纸结构作为体节的新型折纸仿蠕虫移动机器人。为实现高效的移动能力,需要解决三个问题:第一,面向空间三维运动,如何设计和实现折纸仿蠕虫机器人的“结构-驱动-功能”一体化?第二,如何建立普适运动学模型并揭示三维运动步态的生成、分类和规划策略机制?第三,如何建立起竖过程的等效动力学模型并抑制起竖瞬态的振动?针对这三个问题,本文的主要工作如下: 1.设计并实现了基于折纸结构和混合驱动的仿蠕虫三维移动机器人。利用几何方法分析了Yoshimura-ori折纸结构出色的空间可达性,在此基础上利用虚拟折痕法和静力学测试获得了其轴向变形和弯曲变形的力位移本构关系,并将其作为机器人驱动设计的重要依据。随后,基于Yoshimura-ori结构骨架,SMA弹簧和气囊混合驱动,电磁铁锚固装置,设计并制作了机器人样机。基于后退蠕动波机制提出了机器人的步态控制案例。机器人运动测试结果表明,该机器人能够有效地执行直线(一维)、平面(二维)和起竖(三维)运动。实验中,我们发现不同的体节变形模式将会产生不同的步态,进而实现不同的运动轨迹和运动性能,但它们之间的关系尚不清晰。因此,我们在研究内容2中分析步态对机器人运动轨迹和运动性能的影响。 2.建立了仿蠕虫机器人三维运动的普适运动学模型并揭示步态对于运动的影响。以后退蠕动波这一运动机理作为基础,给出了仿蠕虫机器人三维运动的步态生成算法,可以实现所有满足约束条件的三维运动步态。以运动轨迹特征作为分类基础,三维运动可以分为9类,其中包括三维侧行等三维运动步态为首次发现。对于不同的运动轨迹,提出了不同的评估指标进行机器人移动性能评价。最后,我们设计了以目标接近度和达到时间作为优化目标的三维运动路径规划算法。通过计算帕累托前沿,机器人可以选择最优步态到达目标位置。由于运动学模型无法解释机器人起竖过程中的动力学行为,为了研究起竖过程中的瞬态振动等现象,就需要建立机器人的动力学模型。而在此之前,研究内容3首先分析机器人单体节的动力学特性。 3.建立了Yoshimura-ori仿蠕虫机器人单体节的动力学模型并揭示其动力学特性。通过静力学测试和动力学测试得到了不同充气气压下体节的静力学本构特性和动力学频响特性。随后,利用动力学实验数据和参数辨识方法重构了体节的动力学模型,确定了刚度、阻尼等各项物理参数。数值仿真和动力学测试结果表明机器人体节具有可调的固有频率、传递率等特性。在单节模型基础上,进一步建立了6体节和60体节机器人的动力学模型。仿真结果表明,通过调节体节的充气气压,机器人结构可以有效地抑制振动在身体中的传递,即提升了在小振幅外激励作用下自身的稳定性。本部分展现的单体节动力学特性,为研究内容4中起竖动力学的分析奠定了基础。 4.建立了Yoshimura-ori仿蠕虫机器人的起竖动力学模型并明确驱动和结构参数对起竖动力学过程的影响。以研究内容3中辨识的结构参数为基础,建立了由弹性铰链和弹性杆构成的机器人简化动力学模型。数值仿真结果表明,增大气囊或SMA弹簧提供的驱动力或者增加体节刚度均可以提高最终起竖高度。为了定量分析起竖过程中的瞬态振动,定义了稳定误差区间、稳定时间和过冲值进行评估。数值仿真结果表明,缩短SMA弹簧加热时间有利于提升起竖速度和稳定性,阻尼的改变同样会影响起竖速度和稳定性。 本文的创新在于:1)设计并研制了Yoshimura-ori折纸结构和混合驱动仿蠕虫移动机器人,实现了一维直线、二维平面和三维空间运动,解决了传统仿蠕虫机器人三维运动能力的瓶颈;2)建立了仿蠕虫折纸机器人普适运动学模型及其三维运动双目标路径规划算法,实现了三维侧行、空间螺旋线等全新的运动步态,揭示了三维运动状态与步态参数的关系;3)建立了仿蠕虫折纸机器人起竖过程的等效动力学模型,揭示了折纸结构的刚度、结构阻尼和驱动力对起竖过程稳定性的影响规律。

关键词： 职业素养   评价指标体系   机器人专业  

摘要： 中央教科所对我国的许多企事业单位调查研究后证实，现代企业和市场选择人才时看中的不只是学生拥有的证书，他们更看重其学生的职业素养。职业技能竞赛是提升中职学生职业能力的有效途径，技能竞赛能够实现理论知识向职业技能的转化，以及提前感知职业道德、职业意识、职业行为习惯，提升学生职业素养，实现培养高素质创新技能型人才的目标。

关键词： 绳索牵引并联机器人   模型不确定性   同步运动   滑模控制   自适应控制  

摘要： 通过对传统并联机器人的结构进行创新,绳索牵引并联机器人(亦称为绳索机器人)是一类选择柔性绳索而非刚性连杆用以连接的新型机器人。得益于此特殊结构,绳索牵引并联机器人具有高速、大工作空间、强负载能力和易于模块化等显著优点。然而,也正是由于绳索牵引方式的特殊性,绳索牵引并联机器人的控制一直面临着绳索张力为正的约束和模型不确定性的挑战。针对这些问题,将绳索之间的同步协调运动与先进的控制方案相结合,设计新颖的控制策略以实现更好的控制性能,并且在理论的基础上通过仿真和实验进行验证。本文的主要研究内容包括:1)将绳索同步方案与快速终端滑模方法相结合,设计了快速终端滑模同步控制策略。利用协调控制的优势与快速终端滑模有限时间收敛的特性,所提控制策略从协调相邻绳索的同步运动和加快误差的收敛速度两个角度共同提高绳索机器人的跟踪精度。基于Lyapunov理论,对系统的稳定性和误差的收敛性进行了证明。在六自由度绳索牵引并联机器人上,完成了轨迹跟踪仿真和实验。相较于同步控制的仿真结果,在所提控制策略的作用下误差收敛速度更快。实验中同增广PD控制和同步控制策略的对比结果表明,所提控制策略表现出更优的跟踪精度。2)基于绳索牵引并联机器人的拓扑结构,提出了新的关于绳索整体协调的同步方案。同时,从动力学参数自适应的方向切入,设计自适应律以实现参数的快速收敛性能。继而,提出了可以保证参数收敛速度的快速自适应同步控制策略,并且详细证明了系统的稳定性和参数的收敛性。另外,进行了数值仿真和实际实验以验证所提控制策略的性能。实验结果表明,在快速自适应同步控制策略的作用下,不仅有效地协调了所有绳索的运动,而且更快地更新了动力学参数,从而呈现出高精度的控制性能。3)考虑绳索弹性,基于主导动力学特性将其建模为无质量的线性轴向弹簧,重新完成系统建模。由此设计级联结构的控制器,内环是调整绳索长度的PD控制器,外环则是二阶滑模同步控制器,将绳索整体协调的同步思想与二阶滑模控制相结合,提高控制精度并且抑制抖振。闭环系统的稳定性通过奇异摄动理论进行证明。此外,在六自由度绳索牵引并联机器人上,利用相机和编码器测量,实验验证了所提控制器的性能。