关键词： 水下机器人   水动力系数   运动控制   改进遗传算法   改进BP神经网络  

摘要： 随着陆地资源不断减少,人们逐渐把探测资源的重心移至海洋。水下机器人由于其较低的研发成本、较好的控制性以及易于携带等优点,逐渐成为海洋资源探测的重要手段之一,也在其他领域具有十分广泛的应用前景。为了保证水下机器人在工作时有着优良的控制性能,水下机器人的运动控制算法必须具备高效、鲁棒性强等性能。本文以水下机器人控制性能的提升为目标,采用计算流体力学方法获取水下机器人的水动力系数,提出并设计信赖域反射-遗传算法的控制策略,基于改进BP神经网络拟合推力损失曲线,并设计信赖域反射-遗传算法完成推力分配。首先,建立了水下机器人的动力学模型,通过仿真实验获取了机器人的水动力系数。建立了固定坐标系和运动坐标系,并通过水下机器人工作状态下的受力分析,建立了水动力学模型。基于控制精度与计算效率的双重约束对有缆遥控式水下机器人的模型进行简化,利用ICEM进行网格划分,并导入Fluent开展流体仿真。将水下机器人的运动分为水平面运动和垂直面运动两类进行仿真,获得机器人的水动力系数。其次,首次提出了基于信赖域反射-遗传算法的水下机器人运动控制算法。针对水下机器人运动控制需求简化运动方程,利用信赖域反射算法求解初始种群中的精英种群,设计自适应变异、交叉算子,改进精英种群、普通种群的变异、交叉策略。通过对比信赖域反射-遗传算法、传统遗传算法、粒子群算法求解推进系统合推力的结果,验证了所提信赖域反射-遗传算法的有效性与适用性。最后,本文利用改进BP神经网络拟合推进器的推力损失曲线,在此基础上基于信赖域反射-遗传算法对推进系统的合推力、合推力矩进行推力分配,利用MATLAB研究了各推进器推力与偏差距离、角度之间的影响规律。通过设定不同的初始偏差距离和角度开展仿真实验,得出水下机器人位移、角位移随时间的变化规律。研究结果表明,所提推力分配方法对于该水下机器人的运动控制性能具有良好适用性。

关键词： 空间飞网机器人系统   质量集中法   RBF神经网络   非线性Hertz碰撞  

摘要： 随着航天活动日益频繁,太空垃圾问题愈发严重,为了保证重要航天器的安全在轨运行并维护良好的太空环境,亟需对太空非合作目标进行主动清除。柔性绳网由于结构简单、捕获范围广、成功率高等优点而具有很好的应用前景。本文以太空垃圾清理为背景,研究了空间飞网机器人系统捕获动力学与稳定控制,对太空垃圾的主动清除的技术发展具有重要意义。主要研究内容如下:(1)空间飞网机器人系统的动力学建模。经过与传统绳网构型对比分析确定空间飞网机器人系统作为捕获方式,利用质量集中法建立空间飞网机器人系统的动力学模型,研究了绳网节点离散数目对仿真结果的影响,根据仿真结果得出在释放和逼近阶段采用系绳间不加虚拟节点的离散方式,碰撞捕获阶段采用添加一个虚拟节点的离散方式。(2)空间飞网机器人系统网型改进和释放特性分析。针对系统在释放阶段绳网折叠方式的选择问题,利用折纸理论给出“星星式”和“方块式”的具体折叠过程。针对传统绳网存在的缺点,提出“多系绳”绳网构型。对“星星式”和“方块式”折叠绳网无控释放和有控释放进行仿真,最终确定空间飞网机器人系统采用“星星式”的折叠方式。(3)空间飞网机器人系统逼近控制方法研究。针对系统在逼近过程中绳网的网型保持问题,将机动单元视为被控对象,节点间的作用力视为干扰力,设计了被控对象状态完全已知的滑模控制器,通过仿真发现系统的输入过大,超出执行机构的物理限制,因此考虑执行机构饱和约束,引入辅助系统,设计了输入受限的滑模控制器。接着考虑被控对象速度测量故障,采用观测器对速度进行估计,设计了状态缺失和输入受限的控制器。进一步考虑系统参数和干扰上界的不确定性,基于RBF神经网络设计了输入受限下的RBF神经网络控制器。通过仿真验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。(4)空间飞网机器人系统的碰撞过程分析。针对捕获阶段绳网和捕获目标的碰撞问题,利用非线性Hertz碰撞理论建立系统和捕获目标的碰撞动力学模型,给出了具体的碰撞检测方法和检测流程,通过仿真研究了绳网和捕获目标在不同尺寸比例下的捕获效果。

关键词： 工业机器人   动力学模型   摩擦模型   拖动示教  

摘要： 工业机器人正朝着智能化方向发展,人机协作能够完成复杂多变的工作任务,并提高工作效率,因此成为机器人研究领域的热点。拖动示教技术作为人机协作领域的重要研究方向,往往需要机器人具备一定的力感知能力。由于力/力矩传感器价格昂贵,通常是利用检测电机电流的方式获得关节力矩,并结合机器人动力学模型得到机器人末端的受力情况。本文以六自由度串联型工业机器人为研究对象,对机器人动力学模型、关节内部非线性摩擦和免力矩传感器拖动示教等问题展开深入研究。主要内容如下:机器人动力学参数辨识是实现免力矩传感器拖动示教的前提条件,其估计精度直接影响机器人的控制性能。为提高机器人动力学模型精度,利用牛顿-欧拉迭代法进行机器人动力学建模,采用有限傅里叶级数轨迹作为机器人动力学辨识激励轨迹,同时以观测矩阵的最小条件数为优化准则,利用粒子群算法进行激励轨迹参数优化。以一定的采样周期采集机器人运动过程中关节力矩和运动状态信息,并对采样信息进行预处理以提高信噪比,最后基于加权最小二乘法进行机器人动力学参数辨识。在机器人关节转速较低时,关节内部摩擦表现出复杂的非线性特性,针对传统库伦+黏性摩擦模型并不能真实反映其摩擦特性,提出一种改进Stribeck摩擦模型对关节摩擦进行建模,以改善机器人低速状态时的控制性能。设计高、低速余弦轨迹相结合的激励轨迹,以及采用每个关节单独辨识的方案以提高摩擦模型辨识的准确性,根据实验测得的关节速度和摩擦力矩数据,通过模拟退火混合遗传算法优化得到最佳摩擦参数。在机器人动力学模型已知的基础上,结合基于广义动量的扰动观测器实现机器人的外力估计。为提高机器人拖动示教过程中的平滑性,建立机器人导纳控制模型,同时将机器人的整体拖动过程进行运动阶段划分与分析,并采取相应的运动控制策略。最后,分别提出了基于关节空间和笛卡尔空间的机器人免力矩传感器拖动示教方案。为验证上述所提出的理论模型和控制方法的有效性和可行性,搭建了机器人实验平台,并对机器人动力学模型、改进Stribeck摩擦参数辨识以及拖动示教三方面分别进行相关实验。通过模型拟合曲线与实验数据对比,证明了机器人动力学模型参数的准确性以及所提出的改进Stribeck摩擦模型的优越性。最后,将机器人工作在位置控制模式下,分别开展了关节空间和笛卡尔空间上的机器人拖动示教实验,验证了所提出的拖动示教方案的可行性和有效性。

关键词： 四足机器人   模型预测控制   运动学建模   动力学建模   全身控制   轨迹规划  

摘要： 四足机器人是足式机器人的一种,与一般在平地上运动的移动式机器人相比,四足机器人的使用不受环境的限制,能在复杂环境和崎岖的地面运行,由于该机器人需要在复杂的环境里运行,因此常规的控制方法很难满足其在复杂的环境中平稳运行。本文从运动学分析和动力学建模的角度,采用了一种预测控制加全身控制的混合控制系统,目的是减小系统的稳态误差,克服其在复杂环境中运动时的精度影响,使得四足机器人在复杂环境中还具有较高的稳定性。基于此背景,本论文设计了一种基于四足机器人动力学的控制算法。论文主要从四足机器人的运动学建模、动力学建模、机器人控制算法和机器人的仿真以及实物实验四个方面进行研究。论文的主要内容以及取得成果如下:(1)四足机器人的运动学建模:先对3维空间变换做出介绍,再说明对3维运动学和6维运动学的联系,采用6维运动学对四足机器人进行运动学分析,分析了四足机器人各个坐标系之间6维空间变换矩阵和四足机器人各连杆之间的6维空间的速度传递。(2)四足机器人的动力学建模:在运动学基础上,对四足机器人进行动力学建模,对牛顿欧拉逆动力学迭代做出说明,对动力学建模所需的广义重力、广义科氏力、接触雅可比、广义质量矩阵进行了推导。(3)四足机器人控制系统的设计:对四足机器人控制系统的控制算法进行分析,采用模型控制和全身控制的混合控制算法应用于四足机器人的控制系统,使用MATLAB进行仿真,并对控制效果进行了分析,从仿真结果看到了具有较好控制效果,可以用于实际环境的应用。(4)四足机器人的足端轨迹规划以及实物实验:将控制算法应用实物实验并对四足机器人进行了足端轨迹规划,跟踪四足机器人的足端轨迹,取得了较好的效果。

关键词： 巡检机器人   运动轨迹规划   动力学建模   振动特性分析   PID控制  

摘要： 电力的稳定对经济发展至关重要,为保证电力系统的稳定运行需要定期对输电线路进行检测与维护,因此本课题组设计了一款能够在输电线路上行走的巡检机器人,为保证巡检机器人安全稳定地在输电线路上行走以及跨越各种障碍,需要分析巡检机器人在运动时稳定性。目前针对巡检机器人稳定性的分析都仅仅针对静力学方面的分析,存在着分析不准确且有些工况难以分析等缺点,因此这些分析的实际效果并不明显。基于上述原因,本文基于本课题组所设计的巡检机器人对其进行运动学以及动力学建模并分析不同工况下的稳定性。论文的主要内容包括巡检机器人的构型分析、巡检机器人运动稳定性分析、巡检机器人单轮行走振动特性分析、巡检机器人双轮行走振动特性分析、PID控制下的振动抑制以及巡检机器人实验分析等内容。本文的工作内容如下:(1)对本课题组所设计的巡检机器人进行构型及运动稳定性进行分析。首先根据输电线路背景以及工作环境对巡检机器人进行构型分析,对其工作原理以及工作过程进行描述,然后分析其行走和越障过程的行走方式,并对越障过程进行轨迹规划,最后建立基于零点力矩的状态空间方程,根据此方程和巡检机器人越障过程中的轨迹分析其运动稳定性。由分析结果可知,所规划的轨迹符合其稳定性要求,证明所设计的机构和规划的轨迹是合理的。(2)针对巡检机器人单轮行走工况建立单轮行走动力学建模,并对不同工况下的单轮行走进行振动特性分析。针对巡检机器人在越障过程中的单轮行走工况,建立巡检机器人单轮行走动力学模型,根据模型的输入与输出建立动力学性能评价指标,分析随机输入、悬链线输入和周期信号输入下的动力学特性,并分析参数变化时对动力学特性的影响。(3)对巡检机器人双轮行走进行动力学建模以及振动特性分析。针对巡检机器人在巡检过程中的双轮行走工况,建立考虑两个行走轮垂直方向和巡检机器人整体在垂直、俯仰和侧倾方向的位移的巡检机器人五自由度双轮行走动力学模型,并根据输入与输出建立巡检机器人动力学评价指标,根据输电线路外形与巡检机器人行走轨迹确定直线行走阶段、下坡阶段与上坡阶段的输入激励,根据五自由度动力学模型与输入激励分析巡检机器人在直线行走、下坡和上坡三种工况下的振动特性,并分析不同接触参数与输入参数对动力学特性的影响。在ADAMS中建立巡检机器人简化模型设置仿真参数后,得到巡检机器人的两个行走轮与巡检机器人整体的垂向位移,同时将得到的仿真结果与用所建立的动力学模型得到的输出结果对比,说明所建立的动力学模型的正确性。(4)选择巡检机器人PID控制的参数,并对单轮行走以及双轮行走时的振动特性进行分析。在巡检机器人单轮与双轮行走过程中针对动力学参数对巡检机器人的性能改善程度有限的情况,在输电线路与巡检机器人之间添加一个PID控制器,分析添加控制器后的巡检机器人动力学性能,与未添加控制器的动力学对比后可知,添加PID控制器可以显著改善巡检机器人的动力学性能,证明了控制器的有效性。(5)对巡检机器人进行试验分析。根据本课题组所建立的巡检机器人样机,对其进行直线行走、下坡与上坡过程的运动分析,同时利用东华测试仪测试巡检机器人在直线行走、下坡与上坡三种工况下的垂向加速度,研究结果表明巡检机器人能够稳定行走且三种工况下的垂向加速度与仿真结果相符,证明所建立的动力学模型的合理性。通过上述研究,首先分析了巡检机器人的工作原理,规划了巡检机器人的行走以及越障方式,分析了巡检机器人的运动稳定性;然后建立巡检机器人单轮行走与双轮行走动力学模型,分析其在不同工况下单轮行走与双轮行走的动力学性能,建立基于PID控制的动力学模型并分析其动力学特性;最后根据本实验室设计的巡检机器人样机设计相关实验验证设计的合理性以及动力学模型的准确性。

关键词： 手术器械   丝传动   张力传递   蠕变特性   机器人辅助微创手术  

摘要： 微创手术由于其对人体创口小、术后恢复时间快等优点,被广泛应用到外科手术中。随着机器人技术的快速发展,将机器人技术与辅助微创手术结合,机器人辅助微创手术(RMIS)应运而生。机器人辅助微创手术系统的末端执行器是手术器械,多自由手术器械使医生手术时更加灵活。为满足微创手术术式要求,手术器械轴向长度一般不低于400mm,径向尺寸一般不超过10mm,目前手术器械较多采用钢丝绳传动。丝传动的应用有利于实现手术器械轻量化设计、提高传动精度,有效提高了手术器械的功能与性能,但其特殊布局形式、负载下的钢丝绳柔性体特性、传动过程中的张力损失、工作时的高安全性及高精确性的要求为手术器械带来诸多实际应用上的难题。因此,本文对手术器械的丝传动系统的运动与力的关系进行研究,以保证手术器械末端执行器运动的精确性,具体研究内容如下:基于手术器械在人体内的工作环境、工作空间及传动精确等要求,通过比较几种远距离传动方式、丝传动构型,确定手术器械的传动系统为开环构型的丝传动系统。分析丝传动系统中滑轮轮槽形状、尺寸及钢丝绳通过滑轮的偏角的作用机理,以钢丝绳磨损最小为准则,给出了滑轮轮槽形状及尺寸、滑轮偏角的选取建议。最后通过对丝传动系统的仿真建模,分析了系统预紧力与摩擦力的关系,给出丝传动系统预紧力的选取建议。进行了钢丝绳经过导轮前后的张力比研究。根据手术器械结构特点,引入导轮与钢丝绳半径比表征钢丝绳的弯曲刚度,通过对钢丝绳与导轮接触区域与非接触区域的受力分析,得到钢丝绳经导轮导向前后的张力比计算公式。设计实验验证了应用张力比公式计算所得张力与力传感器测量所得张力较吻合。最后根据所得张力比计算公式,分析了手术器械结构参数(半径比、钢丝绳直径、包角及摩擦系数)对钢丝绳张力变化的影响,可为手术器械结构设计提供理论指导。为提高手术器械安全性及精确性,基于上一章所得的张力比公式,结合手术器械丝传动系统的结构,以弹性虎克定律为基础,建立手术器械丝传动系统的张力-位移模型,通过该模型可计算出手术器械末端小爪的输出位移及输出力矩,从而得到手术器械末端右小爪偏摆运动时的传动系统迟滞角度。最后,编写丝传动系统控制策略,利用该策略可将补偿传递系统迟滞误差,提高传动精度。进行了手术器械丝传动系统钢丝绳的蠕变特性研究。基于钢丝绳的粘弹性特性及线性特性,通过对线性粘弹性材料Maxwell模型、Kelvin模型及Burgers模型三种力学模型的分析,在Burgers模型的基础上提出新的五元素模型,根据手术器械在进行机器人辅助微创手术时丝传动系统的不同工作阶段,给出每个阶段的钢丝绳蠕变模型。设计实验测量钢丝绳的蠕变,并确定模型中的未知参数。

关键词： 工业机器人   动力学控制   高精度协作   动量观测器  

摘要： 随着协作机器人的应用领域扩大，越来越多的出现在工业场景中，引出了协作型工业机器人(Collaborativeindustiralrobot)的概念，它将协作机器人应用的范畴更具体化，描述为一类在工业环境中与工人协作执行任务的机器人。据经合组织(OECD)的研究表明，在各类工厂中只有约10%的工作可以完全自动化，未来工厂的发展趋势是人类和机器人协同工作，而不是人类被机器人完全取代。为了更好的与工人协同作业，国内外发布的协作型工业机器人都具有碰撞检测和零力控制两项基本功能，本文对这两项基本功能进行研究与实现。同时由于协作型工业机器人是开环构型，关节减速器中多为具有柔性的谐波减速器，这使得机器人动力学模型变得不确定，运动时容易产生振动和误差累积，再使用传统的运动控制无法达到高速高精度的性能指标。因此采用基于动力学模型的控制方法对协作型工业机器人进行研究。　　首先，本文介绍了一款六自由度协作型工业机器人ROC6的硬件平台及使用;针对ROC6机器人的空间串联结构，选用MOD_DH方式建立机器人坐标，然后进行了正运动学和逆运动学推导;接着介绍了牛顿欧拉建模方法和拉格朗日建模方法，采用拉格朗日方法求解了二自由度机器人和六自由度机器人的动力学解析解，同时使用牛顿欧拉方法进行了动力学模型的线性化。　　然后，为了得到精确的动力学模型参数以提升动力学控制精度，进行了机器人整体辨识。为了实现零力控制功能，分别设计了基于动力学计算的零力控制器和基于关节力矩传感器的零力控制器，并在6自由度协作型机器人上进行了实验验证其可行性。　　其次，为了实现碰撞保护功能，设计了基于关节力矩传感器的碰撞检测方案和基于动量观测器的碰撞检测方案。结合扰动观测器(DOB)理论对普通的一阶动量观测器进行了改进，设计了一种基于巴特沃斯滤波的二阶动量观测器，提高了对碰撞时冲击力矩的检测灵敏度;为了降低机器人碰撞检测阈值，提出了一种基于傅里叶级数的混合阈值方法，并在二自由度机器人和六自由度机器人上做了实验验证。　　最后，设计了基于动力学模型的PD控制算法(MPD)，同时设计了模糊鲁棒控制方法(MPDR)消除机器人系统中不确定性，并证明其一致最终有界性。以二自由度机器人和六自由度机器人为研究对象进行了仿真，并分别进行了实验验证。对比PID控制和基于模型的PD控制算法，MPDR算法使协作型工业机器人的跟踪精度更高，运行更加稳定，鲁棒性更强，具有实际的工程应用价值。

关键词： 人工智能教育   机器人竞赛   创客教育   创客实验室   玉林市  

摘要： 玉林市玉州区旺瑶小学建于1950年,现又名玉州区东环小学(万昌校区)。2016年12月旺瑶小学迁入新址,由原来占地面积不足10亩的小校园变身为占地面积29.35亩的新校园。近三年来,学校师生齐心协力,不断开创办学新局面,

关键词： 混联机器人   弹性动力学建模   铣削稳定性分析   三维表面形貌评价  

摘要： 本文密切结合我国高端制造领域中对大型复杂结构件高性能现场加工的需求,系统研究了一种新型五自由度混联加工机器人——Tri Mule的整机弹性动力学建模、铣削稳定性分析,以及被加工表面三维形貌创成与表征的理论与方法,并开展了相关综合实验验证。全文取得了以下创新性成果: 在弹性动力学建模方面,提出了一种可有效刻画Tri Mule机器人全部低阶模态的最小自由度弹性动力学半解析建模方法。该方法一方面借助子结构综合技术构造支链体超单元模型,保证精度的同时大幅降低了自由度数目;另一方面借助微小位移旋量/力旋量的对偶关系,构造出并联闭环运动链中从动关节的通用刚度模型,力学概念清晰,可有效简化子结构间的组集手续。计算机仿真与实验结果表明,半解析模型可快速准确地预估机器人在工作空间全域内的低阶动力学行为,与实验结果在固有频率、模态振型及末端频响函数方面有很好的一致性。此外,研究结果还表明,驱动支链的一阶弯曲模态对刀尖点的低阶动态特性有一定影响,在建模时应予以考虑。上述模型及分析结果为该机器人的铣削加工稳定性分析及表面形貌预测奠定了坚实的理论基础。 在铣削稳定性分析方面,建立了虑及刀具刀柄动特性的机器人系统动力学模型,进而构造出考虑动态切厚再生效应及振型耦合效应的铣削过程动力学方程。据此,借助零阶频域法和改进的时域全离散法系统研究了Tri Mule机器人的铣削稳定性,前者可直接得到极限切深的解析解答,而后者可借助稀疏矩阵乘法操作有效提高计算效率。计算机仿真与实验结果表明,在高转速大径向切深铣削铝合金时,稳定域边界由机器人系统高阶模态主导,且不随位形变化;在低转速小径向切深铣削钛合金时,稳定域边界由机器人系统低阶模态主导,且随位形变化。此外,两种工况下各组切削实验的实测切削状态与理论预测结果具有良好的一致性。上述模型及方法可全面揭示铣削稳定性随位形的变化规律,为实现该机器人稳定铣削加工提供了重要的理论与实验依据。 在被加工表面三维形貌建模方面,分析了参与切削刀具段上不同位置的激励及振动响应,推导出考虑Tri Mule机器人系统动态特性影响的刀齿运动轨迹解析表达式。据此,借助牛顿迭代法提出了一种用表面轮廓值创成三维表面形貌的数值算法。该方法应用闭区间连续函数零点存在定理,可有效解决迭代初值设定问题,具有较高的精度。计算机仿真与实验结果表明,在低转速小径向切深铣削钛合金时,被加工表面的位置误差和粗糙度与机器人系统低阶动态特性密切相关,理论预测值与实验值的最大偏差分别为18%及15%。研究结果还表明,平均表面位置误差与粗糙度均方根误差在工作空间中的分布与系统低阶模态最大动柔度分布呈正比。上述模型及方法可全面揭示表面形貌特征随位形及工艺参数的变化规律,为客观评价该机器人的铣削加工质量提供了有效的技术手段。 上述研究成果为实现Tri Mule机器人高性能铣削加工提供了技术支撑,对促进该机器人的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。

关键词： 绳索驱动   康复机器人   ADAMS仿真  

摘要： 近年来,世界人口老龄化问题逐渐显现,老年病发病率也随之增长,其中脑卒中的发病率、致残率及死亡率居高不下。因脑卒中致残的患者主要表现为肢体运动功能障碍。在临床治疗中,常常需要耗费大量的人力、财力及时间改善患者的肢体功能。因而针对这一现实问题,各国学者展开了一系列研究以期利用上肢康复机器人代替传统人工康复训练。本文对上肢康复机器人的发展过程与现状进行了总结。对人体上肢结构以及运动特点进行分析。介绍了人体上肢康复治疗阶段,并制定了与治疗阶段相对应的康复动作轨迹。结合以上内容,对绳索驱动上肢康复机器人进行结构设计,利用绳索驱动的优势,最大限度的减少了机械臂的运动惯性,改进了传统电机直接驱动康复机器人缺乏柔顺性、刚度过大等缺点。基于D-H坐标法建立了绳驱动上肢康复机器人的运动学模型,完成正逆运动学分析求解,利用Matlab机器人工具箱仿真验证了正运动学模型的正确性,进而分析了驱动绳索长度与关节角度之间的关系,并基于制定的三种康复动作轨迹分析了绳索长度的变化规律。基于拉格朗日方程建立了上肢康复机器人的动力学模型。通过插值法在关节设定的角度范围内规划了关节空间中的轨迹,并将该轨迹作为动力学的算例,计算关节力矩;然后在ADAMS中建立动力学仿真模型,设置合理的仿真参数,利用关节角度函数驱动关节运动,得到的仿真力矩结果与理论计算数据相符,验证了动力学模型的正确性;最后通过优化的方法分析求解了绳索拉力,绳索拉力结果满足约束条件,且拉力变化平滑,实验结果表明本文设计的上肢康复机器人能够满足算例动作的训练需求,具有良好的应用价值,并为后续的绳索选型奠定了一定的理论基础。本研究为上肢康复机器人的设计提供一种新的思路,利用绳索的特性,使得上肢康复机器人的训练运动具有一定的柔顺性,同时也为解决电机驱动刚性过大的类似问题提供了一种新思路。