关键词： 路径规划   机器人学   任务约束   避障  

摘要： 近年来,柔性化与智能化是机器人发展的趋势。机器人路径规划是提高机器人柔性化与智能化的重要环节,对制造业的生产结构改变和生产效率的提高有重要意义。本文主要基于约束分析来对机器人路径规划进行研究,提出了基于约束分析的采样单查询路径规划算法框架,并以焊接场景作为其应用示范。本文首先提出了一种基于约束分析的采样单查询路径规划算法框架,用于处理多约束多目标路径规划问题。对框架中涉及到的约束处理、规划空间和局部路径生成进行分析,其中,约束处理使用了节点的约束标志位,实现对多个约束的动态处理;规划空间给出了通用工作空间的描述,并使用可达性图来对其可视化;对局部路径生成过程中的机器人常用插补算法和双机器人协调运动原理进行阐述。基于该算法框架,对单一避障约束路径规划和任务约束路径规划进行研究。在单一避障约束路径规划中,使用该算法框架对常用的RRT和RRT-CONNECT进行描述,针对RRT-CONNECT采样随机性导致陷入局部搜索,提出了结合RRTCONNECT和OB-RRT算法,对算法的采样过程进行策略控制,以提高路径求解的效率。由于采样的随机性,需要对求解的路径进行路径后处理,本文比较了路径剪枝法、捷径法、局部捷径法和自适应局部捷径法,选择平衡了优化效率和优化效果的自适应局部捷径法作为后处理算法。针对仿真环境与实际场景的偏差,为获取安全的避障路径,给出了路径中转点的搜索方法,设定安全距离来提高避障路径的安全性。任务约束路径规划中以焊接作为任务场景,将基于约束分析的采样单查询路径规划算法框架用于焊接场景中的离线规划和在线规划。分析焊接场景中的跟踪约束、焊接约束与代价函数、焊缝位置约束与代价函数、传感器约束与代价函数以及路径长度代价函数。使用“以直代曲”的思想对路径进行预处理,将问题转化为多约束多目标的定长路径规划问题。针对每一个路径点对应的规划空间不同,提出了分层搜索树的概念。在离线焊接过程中,在从机器人规划空间求解过程中使用了带可达性球的分层搜索树。在离线扫描过程中,对激光平面感兴趣区域进行离散化,将面对点的跟踪问题转化为多个离散点对点的跟踪问题。在线规划过程中,使用了带标志位和可达性球的分层搜索树来处理传感器约束与其余约束不同步的问题。实验证明,本文的方法能够有效完成非标工件的自动焊接。

关键词： 抓取机器人   动力学分析   有限元分析   拓扑优化   结构设计  

摘要： 轴承环抓取机器人是轴承生产中的重要设备,其负责轴承环从放置工位到辗扩工位的搬运与装载,作为替代人力的主要物料搬运工具,其性能对轴承生产有着直接的影响,因此对于轴承环抓取机器人的运动分析以及结构优化具有重要意义。本文根据自主研发的轴承环抓取机器人运行不稳定问题,通过分析机器人运动特性,优化关键部件结构达到优化机器人运动表现的目的。首先对轴承环抓取机器人正运动学和逆运动学进行研究,并以D-H法为基础建立机器人的数学模型。然后通过MATLAB中的Robotics Toolbox应用程序,对所建立的方程进行验证。其次在MATLAB中使用五次插值多项式法对于机器人的工作路径进行规划,得出包含关节的位移、速度、加速度信息的变化曲线。使用SOLIDWORKS对模型进行调整后导入ADAMS中进行运动学以及动力学的分析,取得机器人在规定轨迹工况下的受力,力矩以及加速度变化等情况,将这些边界条件进行记录。然后分析机器人是否具有优化空间,在动力学研究基础上,对机器人的大臂进行受力分析,通过有限元软件ABAQUS的分析结果表明机器人满足工况要求且具备优化条件。最后对机器人进行结构优化,使用ABAQUS中的拓扑优化模块,所设计结构在体积简化为原有的60%的条件下,具有最小应变能。根据优化结果对机器人大臂结构进行重新设计,在相同的边界条件下进行有限元分析和动力学分析。分别对比优化前后的大臂有限元分析结果和运动表现,结果显示机器人末端执行机构在制动时的加速度以及所受力矩均减小,证明通过优化结构提升机器人工作稳定性的方法正确且有效。

关键词： 冗余双臂机器人   逆动力学建模   零力控制   协调控制   实时多任务  

摘要： 双臂机器人具有类人手臂的结构,灵活度高,并且工作空间利用率较两个独立单臂有极大的提升,故使用场合非常广泛。本文围绕机器人建模以及关节驱动力矩,系统研究了冗余双臂型工业机器人动力学建模与协调拖动控制问题。以国产自主研发的双臂机器人为研究对象,讨论并设计出基于Linux+Xenomai双内核实时多任务平台的机器人控制软件,建立了运动学以及动力学模型。首先标定出双臂基坐标系并以单臂为例建立D-H模型。引入臂角的概念,完成双臂逆运动学的求解。然后在已知机器人的工作状态（各关节角度、角速度、角加速度）下,结合牛顿-欧拉逆动力学公式,参数化空间惯量矩阵,提取出动力学方程线性回归形式对应的完整参数集。利用最小二乘法和矩阵的QR分解法简化方程,得到具有可辨识的最简参数集的单臂动力学模型。该算法极大地降低了求解动力学问题的时间复杂度,计算速度约为常规迭代算法的13倍并且通过Robot Toolbox全作用域对比校验了模型的正确性。结合冗余双臂机器人低速运行、小惯量轻型机械臂的特点,简化了复杂的动力学模型。设计实现了一种基于“对称轨迹”的快速动力学参数辨识方法,并开发出一套通用的建模工具箱,解决了单臂以及双臂机器人的动力学建模与运动控制问题。通过力矩补偿的方式实现了机器人的零力控制,一方面检验模型,同时为拖动示教服务,形成了完整的机器人引导式编程方法。设计提出了基于零力控制的协调拖动,在仅有位置约束、同时存在位置和力双重约束的情况下,设计实现了实时多任务运行架构下的双臂主从协调拖动控制系统。出于安全性考虑,设计实现了机器人碰撞预防和碰撞检测模块。最后设计双臂关节同步运动实验和协调搬运的位姿跟随实验,从协调拖动的同步性以及跟随位置的准确性两方面分别验证了协调拖动系统的有效性。而且通用型动力学建模工具箱为今后机器人运动控制提供了可参考的技术方案,降低了算法入门门槛,提高了工作效率。

摘要： Traditional robots, while capable of being efficient and effective for the task they were designed, are dangerous when operating in unmodeled environments or around humans. The field of soft robotics attempts to increase the safety of robots thus enabling them to operate in environments where traditional robots should not operate. Because of this, soft robots were developed with different goals in mind than traditional robots and as such the traditional metrics used to evaluate standard robots are not effective for evaluating soft robots. New metrics need to be developed for soft robots so that effective comparison and evaluations can be made. This dissertation attempts to lay the groundwork for that process through a survey on soft robot metrics. Additionally we propose six soft robot actuator metrics that can be used to evaluate and compare characteristics and performance of soft robot actuators. Data from eight different soft robot rotational actuators (five distinct designs) were used to evaluate these soft robot actuator metrics and show their utility. New models, control methods and estimation methods also need to be developed for soft robots. Many of the traditional methods and assumptions for modeling and controlling robotic systems are not able to provide the fidelity that is needed for soft robots to effectively complete useful tasks. This dissertation presents specific developments in each of these areas of soft robot metrics, modeling, control and estimation. We show several incremental improvements to soft robot dynamic models as well as how they were used in control methods for more precise control. We also demonstrate a method for linearizing high degree of freedom models so it can be simplified for use in faster control methods for better performance. Lastly, we present an improved continuum joint configuration estimation method that uses a linear combination of length measurements. All these developments combine to help build the "fundamental engine

关键词： 履带式爬壁机器人   动力学   优化设计   轨迹跟踪控制   模糊-计算力矩法  

摘要： 爬壁机器人是指能够在竖直或倾斜壁面上移动并执行作业任务的自动化机械装置,其主要特点是在保证可靠吸附的同时实现运动和作业,在建筑、交通、石化、核能、消防及造船等许多高空极限作业领域,完成诸如监测、检查、维护和工程施工等危险的工作。从上世纪90年代开始,国内外科学家和工程师研发了多种适用于不同领域的爬壁机器人,其中采用负压吸附方式的履带式爬壁机器人具有适用范围广、运动性能好和承载能力强的优点,具有广阔的应用前景。本文结合国家自然科学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”(No.51775225),面向经济社会发展需要,对履带式爬壁机器人的动力学性能及导航控制技术进行了研究。建立了履带式爬壁机器人的动力学模型,分析了爬壁机器人安全工作条件和设计参数对机器人动态性能的影响;提出了吸附装置叶轮的优化设计方法;设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制系统,并基于UWB/INS组合导航进行了轨迹跟踪控制实验研究。首先对国内外爬壁机器人的发展历程和研究现状进行了综述,提出了爬壁机器人现阶段在应用方面存在的问题和面临的挑战。根据爬壁机器人的结构特点和运动特性,分析了吸附系统的受力情况,建立了包含吸附装置、驱动装置和壁面参数的动力学方程。为了验证爬壁机器人动力学模型的准确性,设计并制造了爬壁机器人实验平台,通过比较模型仿真计算结果和实验结果,验证了模型的准确性。基于经过验证的动力学模型,分析了爬壁机器人的安全吸附条件和各项设计参数对机器人壁面行驶动态性能的影响。为了提高机器人吸附装置工作性能,满足其壁面行驶自适应负压控制的任务需求,提出了吸附装置叶轮的优化设计方法。采用计算流体动力学(CFD)仿真方法获得爬壁机器人工作时吸附装置内部流体的运动和受力情况,建立了叶轮设计参数与吸附性能之间关系的克里金模型,使用遗传算法进行优化获得最优设计参数。设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制器,提出了根据机器人的位姿实时调整吸附装置的负压,使机器人在满足安全吸附条件的低能耗状态下跟踪参考轨迹。以爬壁机器人的位置、速度、姿态、负压和参考轨迹作为控制器输入,两侧履带驱动轮和吸附装置风扇的转速为控制器的输出,控制爬壁机器人沿参考轨迹自适应行驶。根据机器人的实际位置、速度、姿态与参考轨迹之间的偏差,基于模糊-计算力矩法计算运动机构的控制量。为了验证所提出的轨迹跟踪控制器的效果,分别针对直线参考轨迹和圆形参考轨迹进行了仿真分析。仿真结果表明所设计的自适应负压轨迹跟踪控制器能够根据机器人的位姿实时调整负压大小,快速、稳定、准确地跟踪参考轨迹。设计了基于UWB/INS组合导航的爬壁机器人轨迹跟踪控制实验平台,分别对多种直线参考轨迹和曲线参考轨迹的跟踪效果进行了实验研究。实验结果表明,所设计的爬壁机器人导航控制系统能够实现爬壁机器人的轨迹跟踪运动,并具有较高的控制精度。综上所述,本文建立了爬壁机器人动力学模型,提出了爬壁机器人的轨迹跟踪控制方法,并通过实验验证了动力学模型的准确性和控制方法的有效性。论文的研究工作为履带式爬壁机器人的设计和控制提供了参考。

关键词： 铝锭铸造   工业机器人应用   打渣工序   动力学分析   轨迹规划  

摘要： 有色金属材料是国家经济发展过程中重要的基础原材料,金属铝用途广泛,目前已经成为现代经济发展的基础材料,在国民经济建设中占有举足轻重的地位。铝锭在浇筑过程中会产生浮渣,需要及时清除,打渣工序是金属冶炼过程中的重要工序。人工打渣时存在高温液体飞溅、爆炸、防护不利等安全隐患。工业机器人能够代替人工在高温、噪声和危险的环境中工作,研究自动化的打渣机器人系统代替人力对于企业安全生产及降低成本具有重大意义。实际生产中的打渣工序,铸模运动速度较快,因此,如何使机器人快速、有效地完成自动化打渣任务是研究的重点和难点,轨迹规划可以使机器人在作业时避开障碍,完成工作任务的同时优化运动路径,减少作业工时,提高打渣效率。因此,打渣机器人的轨迹规划研究意义重大。本文以打渣机器人末端渣铲的运动轨迹为研究对象,对该机器人本体的运动学、动力学进行了分析,对渣铲的轨迹规划与优化做出了研究。针对某电解铝生产企业使用的自动打渣机器人,分析了其自动化打渣作业平台结构及主要组成部分。并且规划了机器人的基本任务及工作路径。针对打渣机器人本体进行了运动学建模及仿真分析。采用改进后的D-H参数法建立机器人的正逆运动学方程。利用联合仿真技术,对打渣机器人工作过程进行了仿真验证。利用拉格朗日法和仿真软件,构造打渣机器人虚拟样机,对打渣机器人的动力学建模分析及仿真验证。根据打渣机器人的工作过程,采用五阶插值法,对打渣机器人的工作路径规划做出了优化。进行可视化模拟仿真技术,验证对比了优化前后的机器人的运动轨迹。优化后的工时缩短了1.2s,整体打渣速率提高了13%左右,提高了工作效率,降低了企业的生产成本。

摘要： Educational robotics is an innovative approach to teaching and learning a variety of different concepts and skills as well as motivating students in the field of Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. This especially applies to educational robotics competitions such as, for example, the FIRST LEGO League, the RoboCup Junior, or the World Robot Olympiad as out-of-school and goal-oriented approach to educational robotics. These competitions have gained greatly in popularity in recent years and thousands of studentsEducational robotics is an innovative approach to teaching and learning a variety of different concepts and skills as well as motivating students in the field of Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. This especially applies to educational robotics competitions such as, for example, the FIRST LEGO League, the RoboCup Junior, or the World Robot Olympiad as out-of-school and goal-oriented approach to educational robotics. These competitions have gained greatly in popularity in recent years and thousands of students participate in these competitions worldwide each year. Moreover, the corresponding technology became more accessible for teachers and students to use it in their classrooms and has arguably a high potential to impact the nature of science education at all levels. One skill, which is said to be benefitting from educational robotics, is problem solving. This thesis understands problem solving skills as engineering design skills (in contrast to scientific inquiry). Problem solving skills count as important skills as demanded by industry leaders and policy makers in the context of 21st century skills, which are relevant for students to be well-prepared for their future working life in today's world, shaped by an ongoing process of automation, globalization, and digitalization. The overall aim of this thesis is to try to answer the question if educational robotics competitions such as the World Ro

关键词： Delta并联机器人   弹性动力学建模   振动最小轨迹规划   动力学控制  

摘要： 本文以三自由度Delta并联机器人为研究对象,针对提高其工作精度这一需求,分别在轨迹规划与运动控制这两个方面开展研究工作。首先,建立了机器人的运动学模型与刚体动力学模型。考虑到由于杆件柔性所造成的弹性变形对机器人工作精度将造成很大影响,建立了其弹性动力学模型。其次,为降低机器人在运动过程中的弹性变形,提高其工作精度,在操作空间上进行了轨迹规划。最后,基于高速、高加速度这一运动工况,考虑机器人动力学特性的影响,设计了一个基于简化动力学模型的非线性PD控制器,并分析了其稳定性。同时,为降低动力学参数不确定性以及其他扰动的影响,引入了基于广义动量的扰动观测器。 在机构学建模方面,基于闭环矢量法建立了运动学模型,基于虚功原理建立了刚体动力学模型。为提高控制器的实时性,建立了简化的刚体动力学模型。考虑杆件与关节的柔性,基于拉格朗日方程、子结构综合技术以及运动弹性动力学方法建立了机器人的弹性动力学模型。首先采用空间欧拉伯努利梁单元进行模拟,基于运动弹性动力学方法,忽略大范围刚体运动和小范围弹性变形之间的耦合,建立了单元的弹性动力学方程。其次将机器人分为主动臂、从动臂以及动平台三个子结构。通过节点之间的关系,将单元弹性动力学方程组合为各子结构的弹性动力学方程。最后通过将关节等效为具有三个线刚度和三个角刚度的6自由度虚拟弹簧,基于变形协调条件,将各个子结构的弹性动力学方程组装成整机的弹性动力学方程。 在轨迹规划方面,利用多项式函数和B样条函数在操作空间进行轨迹规划。首先,分析了不同轨迹对三台电机输出转矩和动平台弹性变形的影响。在此基础上,提出了动平台在两个方向上的最大绝对弹性变形和平均绝对弹性变形最小的综合优化目标。同时,对三台电机的输出转矩以及机器人放置点的变形进行了约束。最后,在操作空间内求解出振动最小的最优轨迹。 在运动控制方面,基于简化刚体动力学模型,针对Delta并联机器人提出了一种带非线性扰动观测器的非线性PD控制器,可以实现高速、高加速度运动下的高精度轨迹跟踪控制。然后利用李亚普诺夫理论和拉萨尔不变性原理证明了闭环系统平衡点的渐近稳定性。很明显,所提出的控制器大大减少了对动力学模型精度的依赖。此外,由于简化后的动力学模型精度大大降低,使得所设计的控制器中动力学参数不确定性的影响加剧。因此,构造了扰动观测器用来观测和补偿扰动。由于传统的三阶扩张状态观测器需要求解惯量矩阵的逆矩阵,对整个控制系统的实时性将造成很大负担。因此,提出了基于广义动量的二阶扰动观测器以避免上述问题,该方法大大提高了控制器的响应速度。最后通过搭建实验平台,验证了所提控制方法的有效性。

关键词： 振动抑制   动力学   假设模态   奇异摄动   联合仿真  

摘要： 随着空间技术的发展,航空航天领域对轻量化的要求不断提高,空间机器人在轨组装技术得到了广泛的研究与应用。空间机器人具有质量轻、刚度小、动力学耦合性强的特点,在工作时容易诱发柔性部件的振动,难以快速、准确定位。本文对双柔性关节-柔性臂空间在轨组装机器人进行了动力学建模与控制研究。分析了柔性部件振动与空间机器人运动的关系,探索并验证可在提高空间机器人运动控制精度的同时,抑制柔性部件振动的控制方法。主要研究内容如下:1.考虑柔性臂振动所引起的偏转角,对双柔性关节-柔性臂空间机器人进行了动力学建模及分析。给出了柔性关节以及基于假设模态法的柔性臂建模方法,并分析了模态截断阶数对柔性臂动力学特性的影响。在此基础上,基于第二类拉格朗日方程推导了双柔性关节-柔性臂空间机器人的动力学模型,并分析了其动力学特性。2.针对柔性臂的欠驱动问题,基于奇异摄动法对双柔性关节-柔性臂空间机器人的动力学控制进行了研究。结合柔性补偿器,使用奇异摄动法对双柔性关节-柔性臂空间机器人进行了快慢子系统分解,针对快慢子系统分别使用LQR控制器以及计算力矩控制器进行控制,该控制策略保证了双柔性关节-柔性臂空间机器人对目标轨迹快速稳定的跟踪,并抑制柔性部件的振动。仿真结果表明,该组合控制器能在抑制柔性部件振动的同时对目标轨迹进行准确跟踪。3.针对不确定外界干扰导致控制精度降低的问题,将双环积分滑模控制用于双柔性关节-柔性臂空间机器人的控制器设计。基于库伦摩擦模型,分析了在轨工作存在的不确定干扰,提出了一种不确定干扰模型。并在慢变子系统上使用双环积分滑模控制设计了控制器。仿真结果表明,该控制器能有效克服不确定干扰,控制性能良好。4.基于虚拟样机技术对双柔性关节-柔性臂空间机器人动力学模型及控制策略进行了验证。使用Solidworks和Adams软件建立了双柔性关节-柔性臂空间机器人的虚拟物理样机,并结合Matlab/Simulink搭建联合仿真平台。在此基础上,分析了各种情况下的仿真结果与理论仿真的差异。仿真结果表明,本文的动力学模型和控制策略性能良好。

关键词： 微型飞行机器人   三维叶素法   三维力传感器   RBF神经网络   姿态控制  

摘要： 经过长时间的进化过程,扑翼飞行已成为一种成熟优越的飞行方式。大自然中鸟类和昆虫不约而同的选择扑翼飞行,说明了其优越性。基于其可悬停和低速飞行的优点,扑翼飞行可以应用到复杂多变的环境中工作。虽然目前扑翼飞行机器人已获得阶段性研究成果,但是在实际工程应用中,扑翼飞行面临着多种挑战。例如,低雷诺数下如何获取高升力、建立精确的动力学模型、提高飞行效率、控制方法的实际应用等等。基于此,本文以四扑翼微型飞行机器人为研究对象,以获取高升力和实现实际工程中姿态控制为研究目标,从其动力学建模分析与姿态控制两个方面进行了研究。本文首先从仿生学角度出发,对扑翼飞行气动力获取的原理进行了总结。根据四扑翼微型飞行机器人的结构特点,将其机构分为驱动机构和拍动机构。通过将设计模型导入ADAMS验证了选取的驱动参数的合理性。通过对驱动机构几何分析,确定了输出拍动角与输入曲柄转角的运动学关系。接着,根据拍动机构特点,在伪稳态三维叶素法的基础上,引入二面角建立了四扑翼微型飞行机器人的气动力模型。以平均升力为目标函数,对驱动机构参数、拍动机构二面角参数等进行了分析,为四扑翼微型飞行机器人的动力学优化设计提供了理论依据。为了实现四扑翼微型飞行机器人的升推力测试,为动力学分析提供实验验证,搭建了气动测力平台。首先以一个悬臂梁为单元,设计了双L型可吸附式小型三维力传感器主体,通过对测力传感器有限元仿真分析验证了原理:弹性体变形→应变片电阻变化→电信号→力的可行性。静态标定实验结果表明,所设计的三维力传感器具有良好的性能指标。气动测力系统的良好动态演示则为之后四扑翼微型飞行机器人的动力学实验提供了研究基础。在四扑翼微型飞行机器人的控制研究方面。首先,通过对其动力学总体性质分析为非线性控制器的设计提供了理论依据。针对四扑翼微型飞行机器人在实际应用中的姿态控制问题,基于RBF神经网络设计了滑模鲁棒自适应姿态控制器。首先,采用RBF神经网络对扑翼微型飞行机器人姿态动力学模型中的未知项角速度进行逼近,并设计自适应律减小神经网络逼近误差。其次,改进鲁棒项消除了为克服干扰造成的控制输入抖振现象。最后,利用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行了分析。仿真结果表明,设计的姿态控制器具有良好的鲁棒性和适应性。