关键词： 串联机器人   动力学建模   参数辨识   关节建模   谐波减速器  

摘要： 在生产制造中,串联机器人得到了广泛的应用。在以前馈控制、柔顺控制为代表的控制方法研究中,需要对关节力矩做出准确计算,因此精确的动力学模型是十分重要的。本文开展了六自由度串联机器人的动力学建模与参数辨识工作,并分别在辨识算法和关节模型上做出了改进,以提高动力学模型的精度。首先,选择采用牛顿—欧拉法,建立了机器人动力学模型,并通过对关节类型进行分析,确定了机器人各连杆的最小惯性参数集。选择库伦—粘滞摩擦模型,结合上述动力学模型,得到可供辨识的机器人动力学方程。接着,从改进辨识算法的思路上探究提高参数辨识精度的方法。介绍了基于加权最小二乘法的参数辨识原理和步骤。并在加权最小二乘法所得参数的基础上,采用启发式算法对参数进行优化。然后,通过对机器人关节模组结构进行分析,建立机器人关节模型,探究各关节组件对整体动力学性能的影响。与传统的简化关节模型相比,该模型对谐波减速器的部分摩擦进行了近似估计。继而提出了一种分别辨识关节模型参数和机器人连杆最小惯性参数的参数辨识方法。进而,基于串联机器人实验平台进行参数辨识与验证实验。首先采用简化的关节模型,同时采用库伦—粘滞摩擦模型描述关节整体摩擦,通过加权最小二乘法估计参数。继而分别采用三种不同的启发式优化算法,对所得的初始动力学参数进行优化,并选择额外的验证轨迹来验证上述参数的精度。实验结果表明,与传统的加权最小二乘法相比,该方法能在一定程度上提高机器人动力学参数的辨识精度。最后,建立机器人关节模型,分别对机器人各个连杆的最小惯性参数以及关节模型的各项参数进行辨识,并通过验证轨迹对模型参数进行了验证实验。结果表明,与采用简化的关节模型相比,该模型能够有效提升动力学模型的精度。并且相比于改进参数辨识算法的思路,对关节模型进行改进具有相对更好的效果。

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： 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： Curriculum   Disabilities   Elementary   Empathy   Instruction  

摘要： Schools and businesses are realizing the importance of empathy and the role it plays in their success. The purpose of this mixed-methods action research is to assess the impact of robotics on fifth grade students’ empathy towards people with disabilities. This study aimed to answer the following research questions: (1) What is the effect of using robotics on fifth grade students’ empathy towards people with disabilities? (2) How do fifth grade students perceive the intervention’s impact on their empathy? (3) How does the intervention impact fifth grade students’ perceptions of people with disabilities? Fifth grade students at Burton Academy within the researcher’s classroom will participate in disability scenarios in which they must program a Lego Boost Robot to assist a person with a physical disability achieve a given task. In order to assess the impact of this innovation, quantitative data will be collected through the use of a pre- and post-survey using The Basic Empathy Scale. In addition, qualitative data will be collected through individual interviews and student response journals. The data will be analyzed using a paired sample t-test for the pre-and post-survey, and an inductive/thematic analysis of the interview transcripts and student response journal entries. Quantitative and qualitative data will be triangulated to strengthen and support the study’s conclusions.

关键词： 机器人   柔性关节   神经网络   刚柔解耦   有界控制   状态观测   轨迹跟踪  

摘要： 近年来,刚柔耦合机器人的运动特性与可控性作为机器人基础性研究领域中的重点研究方向受到了广泛的关注。由部分刚性部件和部分柔性部件构成的、具备柔性特征的刚柔耦合机器人已然成为促进制造业逐渐向高精尖端和人机共融方向转变的重要自动化装备。然而,其复杂的耦合结构特性也带来了不容忽视的柔性问题,严重影响了机器人的运动控制精度和作业精度,且容易导致控制系统发散,给机器人的控制系统设计带来了很大的困难。关于如何应对其中的刚柔耦合问题,从而实现稳定的、精准的控制一直是一个具有挑战性的研究方向。刚柔耦合机器人主要面向三类基本对象:柔性关节机器人,柔性连杆机器人以及柔索驱动机器人。研究表明,刚柔耦合机器人中的刚柔耦合问题经等效处理,具有极为相似特性的数学模型。专注于柔性关节机器人中的刚柔耦合问题,对于解决其他类型机器中的刚柔耦合问题具有典型意义和积极的促进作用。本文以柔性关节机器人控制系统为对象,主要研究其刚柔耦合动态特性及轨迹跟踪控制问题。主要包括刚柔耦合系统的解耦建模问题、不确定非线性影响下的自适应控制问题、带有输出力矩饱和约束的有界性控制问题以及系统反馈状态量缺失的非完全状态反馈控制问题。为解决上述问题,本文基于奇异摄动基础理论提出了多种控制方案,主要研究内容如下:(1)针对奇异摄动理论在柔性关节机器人解耦建模方面的理论优势和局限性,从不同角度,提出对柔性关节机器人整体系统进行刚柔分解的技术方法。首先,针对具有弱柔性关节的机器人,根据快、慢两个不同的时间尺度,分别选取关节的弹性力和连杆角度为快、慢变量,对系统进行刚柔解耦,将其降阶为两个子系统,即快子系统和慢子系统。然后,引入积分流形概念重新精确描述快、慢两个子系统的耦合特征,并且在此过程中,将两个子系统都描述为两个跟踪系统,以提高后续控制器设计的灵活度。最后,通过设计饱和柔性补偿器,对具有一般柔性关节的机器人系统,进行刚柔解耦建模,拓展奇异摄动理论在该类型机器人(饱和)系统中的适用性。(2)针对柔性关节机器人系统中的不确定性和/或外部干扰,提出一种带有振颤抑制的复合滑模控制方法。首先,设计一种含光滑饱和函数的趋近律来缓解滑模控制器内部固有的振颤现象。其次,应用基于软计算策略的神经网络技术来避免高切换增益引起的振颤放大问题。此外,对快、慢两个子系统和整体系统进行全面的稳定性分析。最后,通过轨迹跟踪的实例数值仿真验证所提出方案的动态性能以及的抑制颤振性能。(3)针对力矩输入有界下的柔性关节机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种基于反步控制和神经网络技术的广义饱和自适应控制器。首先,针对系统解耦降阶所得的慢子系统,运用反步控制策略提出一种饱和慢子控制器。在该慢子控制器中,引入投影算子型自适应参数调整策略设计一种广义的饱和神经网络近似器,以简化控制律的设计,并对系统中不确定性进行有效补偿。与此同时,通过该近似器和一类饱和函数,以严格保证力矩输入的有界性。其次,针对系统解耦后的快子系统,为提升边界层系统的快速响应特性,设计一种基于弹性力误差的滤波算子。然后,对系统进行简明且严格的稳定性分析。最后,通过实例对比验证所提出控制器的输出有界性、抗干扰能力以及动态特性。(4)针对柔性关节机器人系统反馈状态量缺失的问题,提出基于状态观测手段的非完全状态反馈控制策略。首先,在传统扩展卡尔曼滤波器的基础上,将弹性力选取为新的状态量,通过关节的位置和速度信号,估计连杆的位置和速度信号,从而实现无需连杆侧测量信号的轨迹跟踪闭环控制。其次,为增强扩展卡尔曼滤波器的鲁棒性能,在其中引入自适应高增益调节策略,使其既保留了扩展卡尔曼滤波器的的噪声过滤特性,又具备了快速收敛和强鲁棒特性。同时,还从输出反馈的角度,通过连杆和关节的位置信号,估计出连杆和关节的速度信号,从而实现机器人系统的输出反馈控制。随后,对两种非完全状态反馈控制情形下的柔性关节机器人系统进行严格的稳定性分析。最后,通过仿真实例验证两种改进的扩展卡尔曼滤波手段和以之为基础的两种非完全状态反馈控制方案的有效性和优越性。

关键词： 管道机器人   双质体   傅里叶非圆齿轮   非对称惯性力   动力学模型  

摘要： 管网是天然气、石化和核工业等重要领域的基础设施,而管道机器人是实现管网智慧管理必不可少的设备。现有的轮式、腿式、履带式管道机器人,很难在输送腐蚀、易燃介质或直径较小的特种管道环境中工作,而动力系统完全密封、结构紧凑的惯性管道机器人更具优越性,研究具有高移动能力的惯性管道机器人对极端管网维护具有重要意义。为了提升惯性管道机器人的移动性能,提出了两种非圆齿轮驱动的双质体惯性管道机器人,并阐明了两种机器人的机构原理与行走机制。针对其内部非对称惯性激振系统,设计了一种新型的变速非圆齿轮,并且讨论了非圆齿轮为凸形的边界条件。为了研究机器人的移动规律,建立了干燥管道环境中两种管道机器人的两自由度动力学模型。分析了非圆齿轮不同阶数、系数以及相位角对管道机器人移动性能的影响。进一步,对两种类型机器人的动力学行为进行定量分析,解释了关键设计参数对移动性能的影响规律,发现如下结论:对于惯性管道机器人,平均移动速度随着电机转速、连接弹簧刚度的增大先增大后减小再增大,随着非圆齿轮偏心率的增大先增大后减小;对于冲击管道机器人,随着非圆齿轮偏心率以及电机转速在每个区间上增大而增大,随着碰撞间隙的增大而减小。通过对比,得出了双质体冲击管道机器人移动性能更好的结论。最后,设计并试制了双质体冲击管道机器人试验样机,测试了冲击管道机器人在不同转速下的平均速度,并与理论数值进行对比,二者整体的变化趋势相符,试验结果表明理论分析与试验基本吻合,从而证明了利用偏心块激发非对称惯性力和碰撞冲击提高机器人移动性能的可行性,同时验证了双质体冲击管道机器人动力学模型的正确性。

关键词： 协作机器人   柔顺控制   无力传感外力估计   动力学   参数辨识  

摘要： 随着我国制造业往智能化的方向发展,机器人的应用场景日益广泛。传统的工业机器人大多采用位置控制模式,主要追求较高精度的轨迹跟踪和重复定位,而当下社会的发展对机器人提出了更高的期望,需要其在工作空间中独立或配合完成精密装配、抛光打磨、人机协作等与外界产生交互的任务,这就要求机器人必须具备一定的交互能力,单靠机器视觉并不能可靠的实现这一目标,所以力控技术是机器人发展的重要方向之一。要实现力控,机器人具备感知外力的能力至关重要,传感器通常是测量物理量的首要选择,但是高精度的机器人力或力矩传感器价格不菲,直接使用力传感器将大幅增加控制成本,所以低成本的外力估计方法是机器人技术的研究热点之一。 要实现无力传感器的外力检测,必须依赖于准确的机器人动力学模型,模型中参数的准确与否将直接影响动力学计算的准确度,而较准确的动力学参数通常无法直接得到,需要通过参数辨识实验获取。当机器人检测到外力后,如何应对也是力控技术中的关键一环,综上,为实现无力传感器的外力估计,主要展开了以下几个方面的研究: (1)以Xarm6协作机器人为研究对象,采用拉格朗日法对其进行动力学建模,得到标准的机器人动力学方程,然后对其线性化,变换为观测变量矩阵乘以最小参数集的形式。再引入关节摩擦模型,进一步提高动力学模型的准确性。 (2)用五阶傅里叶级数设计并优化激励轨迹对Xarm6协作机器人进行充分激励,然后用线性化动力学方程和加权最小二乘法根据采集并滤波处理后的数据进行离线动力学参数辨识。先通过MATLAB和CoppeliaSim软件联合仿真验证了线性化动力学模型的正确性和参数辨识方法的可行性,再对Xarm6协作机器人进行了参数辨识,进一步说明辨识方法的正确性。另外,用快速动力学参数辨识的方法确定出低速运动状态下的Xarm6协作机器人的模型参数,并通过实验说明了该方法的可行性和低速动力学模型的正确性。 (3)根据完整动力学模型,设计外力观测器实现对外力的估计。本文提出了一种将基于逆动力学和广义动量偏差外力观测器结合的方法,可以兼顾两种方法的优势并互补各自的不足,通过仿真实验说明了该方法的有效性。另外,根据低速动力学模型设计了基于逆动力学的外力观测器,通过Xarm6协作机器人实验平台说明了低速下该外力观测器的有效性。 (4)基于外力估计结果和阻抗思想,设计了导纳控制器,对机器人进行柔顺控制以实现与环境的良好交互,通过仿真实现了基于外力估计的柔顺控制,检验了该外力估计方法的可行性和实用性。

关键词： 软体机器人   3D打印   牵拉驱动   直线爬行   转向   动力学特性  

摘要： 伴随着全球化工业革命和人类科技的快速发展,机器人越来越广泛地应用于社会生产生活中。传统刚性机器人主要由刚性部件构成,其形状只能适应特定的结构化环境,对复杂和非结构化环境的适应性较差。软体机器人主要由软材料构成,具有良好的弹性和可变形性,能够操作很多易碎和不规则形状的物体,可以更好地实现类似肌肉状态的仿生运动。由于软体机器人能以简单类型的驱动系统产生复杂的运动,而且成本低、质量小、功能性强,具有很高的实用价值和和广泛的应用前景,成为近年来工程领域科研人员研究的热点之一。本文以电机-线缆驱动软体机器人为研究对象,提出了三足和四足两种软体爬行机器人,完成了这两种软体机器人的结构设计和制造、动力学建模和控制,通过理论分析和实验研究系统地分析了其动力学特性。首先,设计并制造出了一种由刚体躯干和硅胶腿构成的三足软体爬行机器人。该机器人由3D打印的躯干、硅胶浇注的软腿和摩擦滑块的模块化设计组合而成,通过电机-线缆驱动完成直线爬行和转向运动。其次,针对三足软体机器人运动效率不高、受限于爬行平面摩擦特性的问题,结合非洲侧颈龟的行走步态,提出了一种无需摩擦滑块即可实现爬行运动的四足软体爬行机器人。该机器人的四条硅胶腿为对称式双侧锯齿设计,用以降低抗弯截面系数。最后,在准静态条件下,研究了四足机器人的硅胶腿的弯曲过程,通过步态分析建立直线爬行和转弯运动的数学模型。对四足软体机器人的斜坡爬行和负载能力进行了实验测试,并进行了两种软体机器人的性能比较。研究发现,三足软体爬行机器人运动状态较好,通过硅胶腿和摩擦滑块与爬行平面交替接触时摩擦力的变化实现运动,能在特定平面上实现直线爬行和转向动作。通过设计控制方案,可以实现连续爬行和切换运动模式的路径规划功能。四足软体机器人主要通过硅胶腿的弹性变形来实现运动。其运动过程更加灵活、爬行效率更高、性能更加稳定,能够适应多种不同的爬行平面。

关键词： Sensors   Robot sensing systems   Force   Measurement uncertainty   Force measurement   Strain   Strain measurement   Force sensors   robotics and automation   sensor selection   six-axis force sensors  

摘要： Six-axis force/torque sensors are transducers capable of measuring three dimensions of force and three dimensions of torque, and have a wide range of applications in robotic systems. The sensing principle behind the greatest majority of these is based on detecting strains in an elastic structure, and there are multiple modalities for strain measurement, including resistive strain gauge, piezoelectric, capacitive, and optoelectronic techniques. Developed sensors can be evaluated based on a range of parameters, including decoupling error, nonlinearity error, and measurement isotropy, where the primary design challenge is to maximise the allowable sensing range while minimising measurement errors. This literature review describes the state of the art of the field, and includes all relevant research associated with the search term "six-axis force/torque sensor" spanning 2015 - June 2021. The published literature for each sensing technique is summarised and evaluated, and a generalised sensor selection framework is proposed to assist the reader with the selection procedure for a state of the art sensor. In the period considered, there have been no significant improvements with the sensors documented in terms of measurement errors. Researchers have instead focused on features such as fault tolerance, alternative sensing techniques, cost reduction, and miniaturisation. These trends are expected to continue, and moving forward, the most significant challenge in the field is expected to be the lowering of manufacturing costs, as trends indicate measurement performance has reached maturity.