关键词： 机器人竞赛   WER机器人   课程开发与设计  

摘要： 自全国基础课程改革工作实施以来,近年来校本课程一直是中小学一线教师进行课程研发的重点。随着机器人比赛的项目和种类越来越多,学校的选择也变得更多了,学校会根据自身的发展特色选择适于学生发展的机器人竞赛项目,在校内以活动选修课展开课程教学,逐渐建立了学校独特的校本课程资源。以机器人竞赛为教学实践的校本课程,既可以培养学生思考问题的创新思维,更能提高动手解决问题的实践能力。本文通过文献研究分析了机器人校本课程的研究现状,研究发现国内机器人校本课程暂无通用的设计框架,开发符合学校办学理念、适于学生发展的机器人校本课程是很多学校一线教师的迫切需求。本研究立足于三年的机器人竞赛辅导经验和相关课程开发资源,提出了可以参考的机器人竞赛课程设计框架,以校内课堂教学与校外竞赛实践两种方式结合,设计了适用于所在学校的机器人竞赛的校本课程。本文主要包括以下几部分:首先是通过对机器人竞赛、机器人校本课程开发现状的分析,分析设计该课程涉及到的理论基础和相关技术,整理有关竞赛资源,做好该课程开发的基础工作。然后根据学校实际情况和机器人竞赛的需求,对该课程的教学目标和教学内容进行分析设计,提出适用于该课程的设计框架,制定了该课程的开发纲要,设计了该课程的教学计划和教学活动以及评价方式。最后,选取了该课程中比较典型的搭建设计、编程设计、竞赛设计三部分进行了教学设计,主要有“探秘人工智能”、“子程序的应用”、“竞赛创新设计”三个教学案例的分析与设计,通过一年的课堂教学实践和机器人竞赛实战,从课程设计、教学效果、教学成果三个方面对课程进行了效果分析,也对课程的进行了反思与总结。

关键词： 时间最优轨迹规划   高速高精度   动力学约束   遗传算法   混合最优化  

摘要： 随着工业生产速度的加快以及规模化生产对质量和技术要求的不断提高,工业机器人连续运行速度成为衡量一个机器人质量的重要指标,以完成任务时间最短为目标的高速机器人运动轨迹最优化成为目前相关学者研究的热点。由于大中型机器人机械臂自重、负载较大,在高速运动时其动力学问题不可避免,因此本文提出结合动力学的工业机器人轨迹最优化方案,主要内容分为以下几部分。工业机器人的数学建模。以STEPSA1400机器人为研究对象,基于改进DH参数法建立其数学模型,并给出机器人的运动学正逆解表达式和牛顿欧拉动力学公式。基于粘滞库伦摩擦模型进行摩擦参数辨识,并综合考虑重力与转子惯量的影响,提高动力学模型精度;最后通过动力学力矩前馈方式验证了机器人数学模型的准确性。考虑动力学特性的轨迹规划。在最优化基础上,提出了在关节空间以五次B样条作为关节轨迹模型,考虑机器人的关节速度、力矩和位姿约束,以工作时间最短为目标的机器人运动轨迹规划方案。通过对比三种轨迹模型在最优化算法下性能,验证了B样条的优越性;指出目前最优化约束条件中存在问题,提出了仅采用关节速度约束的策略,并根据轨迹类型添加了轨迹位姿约束策略。针对机器人部分关节伺服驱动器功率过小问题,提出了力矩连续过载时间约束策略;为进一步提高规划精度,提出了自适应型值点生成策略对轨迹进行预处理。最后通过实验分析验证了所提出策略的性能。混合最优化模型。本文针对于单一优化算法难以取得全局最优解问题,提出以遗传算法（GA）和序列二次规划（SQP）优化算法为基础的一种混合最优化方案;采用根据种群规模自适应的精英保留算子和根据父代双亲适应度的启发式交叉算子以及根据最优个体与边界条件自适应的变异算子等方式,提高GA算法性能。最后通过对比三种优化方案,验证了混合最优化的性能。实验仿真与验证。测试平台采用STEP SA1400焊接机器人,控制器采用实验室基于KRMotion开发的并增加轨迹跟随功能工业机器人运动控制系统,仿真软件采用Vrep。实验结果表明,本文提出的方案有效的提高了机器人运动速度,并具有良好的精度。

关键词： 可重构机器人   动力学参数辨识   人工神经网络   光学跟踪系统  

摘要： 可重构机器人是由一些同构模块或者异构模块装配而成,能够根据工作环境和工作任务重新组合成新的构型。目前,可重构机器人需要获得精确的动力学参数方能进行高速高精度动力学控制。但可重构机器人是一个复杂的、多变量、强耦合的非线性系统,很难直接获得精确的动力学参数。因此,需要对可重构机器人进行动力学参数辨识研究。本文的主要研究内容如下:（1）对可重构机器人的动力学参数辨识进行了总体设计,将参数辨识分解为几个关键步骤,包括动力学建模、激励轨迹设计、数据采集及预处理、辨识算法与模型验证。然后,对本课题所使用的EV-MRobot可重构机器人及动力学参数辨识设备进行了阐述。（2）构建一个合理的动力学模型是进行参数辨识的首要条件,本文基于旋量理论建立可重构机器人正运动学模型,并在此基础上结合Newton-Euler方法推导了可重构机器人的动力学模型。仿真结果验证了本文的动力学建模方法有效。（3）为了获得准确的可重构机器人动力学参数,根据动力学参数辨识的总体设计,首先,对前述动力学模型未考虑的关节间非线性问题,采用库伦-粘性摩擦模型对其进行近似补偿,并对含摩擦力的动力学模型进行线性化表示,得到待辨识的动力学参数矩阵;然后,基于周期性傅里叶级数设计了可重构机器人关节的激励轨迹,来解决激励轨迹末端不闭合导致连续轨迹跟踪繁琐的问题;接着,针对数据采集过程中,可重构机器人实际关节位置求取算法复杂导致测量精度降低的问题,采用三维动态光学跟踪系统简化实际关节位置的求取算法,提高测量精度;再者,针对可重构机器人因装配误差导致控制精度降低的问题,提出采用人工神经网络算法对其动力学参数进行辨识,来获取更为精确的动力学参数;最后,采用残差均方根来评定辨识得到的动力学参数的精度。（4）为了验证本文所提出的辨识方法可行,分别以EV-MRobot可重构机器人的3自由度和4自由度两种不同构型为例,对人工神经网络算法进行仿真分析,并与线性最小二乘算法和粒子群算法进行实验对比。仿真与实验结果表明,人工神经网络辨识算法可以有效提高可重构机器人动力学参数的辨识精度,并且当构型发生改变后,本文所提出的辨识方法仍能准确辨识出其动力学参数。

关键词： 机器人   竞赛   校本课程  

摘要： 近几年,国内外机器人竞赛、电脑制作活动、科技创新大赛等赛事逐渐受到社会重视,这些竞赛当中,都有与机器人相关的比赛项目。人们对机器人教育的关注度日益提高,究其原因,除了优异的机器人竞赛成绩对学生升学有帮助外,更主要的,机器人教育是提高学生实践能力、创新意识和探究精神的有效途径,对培养学生的科学态度,科学知识和科学方法等科学素养也有着不可替代的作用。机器人教育在我国众多学校逐步扩展之际,出现了一系列问题,比如在学校教学方面,机器人教学的理论体系还不够完善,全国缺乏统一的教材和课程标准,同时也缺少客观有效的课程评价体系;同时在学生学习方面,由于机器人课程为非高考科目,所以很多学生重视程度不够,重赛轻学现象普遍。笔者所在的中学已开展机器人教育多年,除以上普遍存在的几点问题外,还存在以下几点亟待解决:1.缺少统编教材,目前我校主要以机器人竞赛规则和软件说明书为蓝本进行教学,教师教学随意性较大;2.学生活动时间严重不足;3.硬件设备不足。针对以上存在的问题,本文主要做了以下四点工作:1.提出了基于机器人竞赛项目的普通高中机器人教学模式。学生以小组合作探究的形式解决竞赛项目中遇到的问题,在完成具体的机器人竞赛项目过程中学习。这种教学模式以问题为中心,以学生为主体开展教学。学生在解决问题的过程中通过小组合作多渠道搜集信息,寻找解决问题的最佳方案,自主参与到小组分工,查找、整理资料,实际操作中,教师在此过程中起着引导者、答疑者的角色。2.编写了针对普通高中的《初识机器人》校本教材。笔者以WRO太空挑战赛为例,全书共20节,以项目教学法为主要手段,以小组合作探究为活动主要开展方式。教材依据太空挑战赛中激活通信、集合队员、解救MSL机器人、将卫星发射到轨道中、取回岩石样本、保证能源供应和启动发射七个任务,由易到难划分章节,教材中的每节课提供了基础案例和拓展延伸,学生可以模仿案例进行编程和搭建,也可以参考案例进行自主创新。3.基于机器人竞赛项目学习理论,开展了为期6年的教学实践。笔者2014年至今,一直负责开展创新机器人社团活动,每学年开学初从高一新生中遴选30名社员,每周安排2课时开展活动。笔者带队参加了陕西省第十六届青少年机器人竞赛、陕西省第十九届中小学电脑制作活动机器人项目竞赛、榆林市第九届、第十届、第十一届“知识产权杯”青少年机器人竞赛和榆林市首届中小学生机器人竞赛,不同的机器人竞赛项目始终贯穿于机器人教学过程中。4.提出了“过程+形成+终结”的课程评价体系。过程性评价贯穿于整个教学过程,对学生在教学过程中的每个表现都进行评价;形成性评价,笔者每节课为每个小组都设计了社团活动记录表和社团活动评价表,评价表中包括学生自评、同学互评和教师评价三个部分;终结性评价主要以社团内部机器人竞赛选拔赛和参加省、市、区机器人竞赛的成绩为主要评价依据。研究结果表明,本文提出的基于机器人竞赛项目的普通高中机器人教学模式为普通高中开展机器人教学提供了很好的解决思路;开发的《初识机器人》校本教材为解决大部分地区无机器人统编教材的问题提供了解决方案;设计的课程评价体系,对机器人教学效果难以评价的问题进行了有益的探索和尝试。实践表明,以上措施取得了很好的教学效果。

关键词： 爬杆机器人   运动学分析   动力学分析   静力学特性   结构优化  

摘要： 随着科技的发展,越来越多的杆件建筑,如旗杆、电线杆、广告牌和斜拉绳索等,已遍布城乡的各种场所。为确保杆件的正常使用,需要经常对其进行清洗与维护。目前采取的清洗方式主要以人工清洗为主,但存在成本高、效率低等缺点,因此,可研发一款爬杆机器人,作为移动平台搭载特定的清理装置攀爬杆件,实现低成本、高效率的杆件清洗与维护功能。本文研究的爬杆机器人基于模块化设计理念,在对比多种爬杆机构及爬杆机器人的基础上,根据所要攀爬的杆件的作业环境,确定机器人的主体结构,选用蜗轮蜗杆机构作为主运动,齿轮齿条为升降传动机构,机械抱爪为夹持机构,并重点分析各机构间的功能协调性、手臂夹持重合度以及攀爬摩擦力的参数变化等工作,对所建的三维模型进行虚拟样机仿真和有限元分析,并进一步完成结构优化,实现整体的轻量化,主要设计内容如下:(1)爬杆机器人的结构设计。对比各类爬杆机器人的移动方式和贴附方式,根据机器人工作环境要求和基本性能要求,确定机器人的爬行步态,选择合适的方案进行结构设计,并建立起机器人整体的三维模型。(2)爬杆机器人的虚拟样机仿真分析。利用Adams软件模拟爬杆机器人的爬行动作,得到机器人的运动轨迹和爬行距离,计算机械爪与攀爬杆件表面的作用力的大小,并绘制出齿轮齿条机构和夹持机构质心的位移、速度、加速度的变化曲线,并提取力和力矩。(3)爬杆机器人的有限元特性分析。运用ANSYS有限元软件对机器人本身的结构进行模态分析,验证设计结构的合理性,分析机器人在攀爬过程中机械手松开与抱紧两种运动危险工况下的静力学特性,得到应力应变最大值分布的区域,验证爬杆机器人机构的刚度和强度是否符合功能要求。(4)爬杆机器人的结构优化。在静力学分析的基础上对核心机构进行优化,得到机架系统在形状优化后质量减比为61.3%,应力值减比为25.8%,应变值减少比例为76%;夹持装置响应曲面优化后质量增比为19.89%;应力值减比为35.11%,应变值减比达85.60%;为了提高整体材料的利用率,对夹持装置进行拓扑优化,分别去除20%和40%材料,得出整体的强度和刚度略微削弱,但仍未达到材料的应力极限,机器人整体的轻量化达到要求。

关键词： Educational technology  

摘要： This study focuses on Grade 5/6 Knowledge Building through robotics-based math, employing a collaborative innovation network framework to assess the extent to which the knowledge building community displayed characteristics of knowledge-creating organizations. The research was conducted in two main phases, employing social network, social semantic, lexical, and discourse analyses to uncover dynamics of innovation networks and knowledge advancement. The pilot phase showed the emergence of three network types identified in knowledge creation organizations, along with change over time. Students forming COINs (Collaborative Innovation Network) contributed more advanced math-related notes, engaged in more theory building and design thinking discourse, and provided greater explanatory coherence. However, the community lacked symmetric advances involving all community members, as several students remained at the periphery of the knowledge network. Also, students’ advances in math understanding were only marginally improved over time. In the second phase, pedagogical and technological supports were designed to improve levels of engagement and knowledge advancement. The analyses confirmed the existence of network types for Innovation networks with the greater movement of members across network types and greater contribution of math notes from more students. COIN members continued as the mainstay of notes creating explanatory coherence. Findings demonstrate the nature of analytic tools and authoritative sources for increasing contributions to community knowledge, resulting in higher engagement, more advanced math contributions, and greater engagement of initially peripheral students who outperforming central network students to demonstrate symmetric knowledge advancements and greater responsibility for knowledge advancement. Results also indicated that students’ ideas in math significantly improved over time. This study contributes to the literature surrounding robotics by em

关键词： 码垛机器人   柔性动力学分析   Hamilton原理   图论法  

摘要： 随着技术的不断发展,人已成为现代物流中不可或缺的一部分.机器人的动力学分析,对提高机器人动力学性能,改善其工作效率至关重要码垛机器.针对铝锭连铸生产线上的4自由度码垛机器人,首先对柔性关节模型进行描述并通过图论法分析其结构,给出了确定其准确的结构模型的方法.其次从Hamilton原理出发推导动力学方程,通过龙格-库塔法对动力学方程求解.结果表明,在大负载、高速的工作状态下其小臂关节的变形对码垛机器人的末端精度将产生重大的影响,载荷的冲击是造成关节变形的主要因素.

摘要： 作为一个国家、地区或机构科技发展水平的关键标志之一,智能机器人的发展及应用前景非常广阔。本文通过对中国知网学术期刊全文数据库收录的近四十年来科技工作者对智能机器人的学术关注进行计量分析,从学术成果的年代产出、期刊来源分布、高产作者及机构等方面统计分析智能机器人的相关研究成果的概貌,旨在为智能机器人领域后续研究提供一定的数据参考依据。

关键词： 机器人铣削   机器人动力学   关节刚度   再生颤振   模态耦合颤振  

摘要： 大型复杂构件的加工,相比于传统大型数控机床,使用工业机器人铣削系统具有生产柔性好、成本低等优点。但工业机器人的串联结构导致其刚度远低于传统机床,加工过程中易发生颤振现象,而且机器人末端频响函数位姿依赖明显,不同工作区域的颤振稳定性极限变化很大。本文对不同姿态下机器人末端频响函数预测方法和机器人不同姿态和加工工况下的铣削稳定性预测进行研究,可以为机器人铣削加工的应用提供理论指导和技术支撑。主要内容如下:1)通过修正的D-H方法建立IRB6660机器人运动学模型,推导机器人的正运动学方程和雅可比矩阵。基于多刚体动力学模型,通过牛顿-欧拉方法推导机器人的动力学方程,并通过连杆惯性参数的坐标变换对动力学方程线性化,为后续研究提供基础。2)基于机器人的雅可比矩阵阐述了机器人关节空间刚度矩阵和末端刚度矩阵之间的映射关系。设计并进行了静态载荷试验,辨识得到机器人各关节的刚度值。3)针对机器人末端频响函数位姿依赖明显的问题,提出了基于线性关节模型的机器人末端频响函数预测方法。基于机器人肘部前三连杆和腕部后三连杆惯性参数值的巨大差异,将机器人六自由度模型简化为三自由度模型,通过仿真说明了简化的合理性。提出了通过有限次试验模态测试,基于三自由度模型辨识机器人动力学参数的方法,辨识出的动力学参数可以用于预测任意姿态下的末端频响函数。4)通过简化的三自由度模型和关节刚度值、机器人动力学参数值,分别基于再生颤振理论和模态耦合颤振理论分析了机器人姿态、进给方向、工艺参数对机器人铣削稳定性的影响,计算得到机器人易发生模态耦合颤振的工作区域。分析结果表明:低速铣削时机器人铣削系统极易发生再生颤振;且对于两种颤振机理来说,改变进给方向均对稳定性极限有显著影响。

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   摩擦模型   碰撞检测   前馈控制  

摘要： 随着智能制造业的不断发展,自动化的生产线需要更高的效率和安全,对作为主要执行机构的工业机器人高精度控制提出了更高的要求。传统的基于运动学的位置控制通过运动控制器给定位置到伺服驱动器侧,控制的精度完全取决于伺服驱动器的性能。同时,在人与机器人协同工作的时候,基于位置控制的运动控制器在机器人发生意外碰撞时并不能及时响应,造成机器人的损害甚至危及操作人员的安全。本文以SCARA机器人和六轴机器人为研究对象展开了机器人动力学的研究。以SCARA机器人作为研究对象,通过拉格朗日法建立动力学模型,明确机器人的物理属性与动力学模型之间的关系。针对机器人谐波驱动关节复杂的摩擦非线性现象,提出了改进的非线性摩擦模型以及周期性摩擦模型;针对激励轨迹对参数辨识的重要性,提出改进的遗传算法,设计了五级傅里叶形式的激励轨迹。实验证明所提摩擦模型能更好表征机器人的摩擦力矩,设计的激励轨迹可以充分挖掘模型的“特性”,提高了辨识的精度。以六关节机器人作为研究对象,通过牛顿欧拉法建立动力学模型,确定了串联机器人速度和力矩的传递方式,并通过联合仿真验证了动力学模型的准确性。针对六关节机器人无法直接测量摩擦力矩的问题,提出效果接近于非线性摩擦模型的经验摩擦模型,与动力学参数一起辨识。针对前后关节力矩大小“失衡”导致的辨识精度降低的问题,利用了力矩测量方差作为权重,加权最小二乘估计动力学参数,提高了整体辨识出的动力学参数的准确性。针对基于模型的碰撞检测算法在模型存在误差时效果降低的问题,提出了等效于带通滤波器的新型观测器。通过分析动力学模型的频率分布,确定了带通滤波器中高通滤波器的截止频率。新型的观测器能够有效地减小模型误差导致的碰撞力矩观测值的扰动,提高了碰撞检测算法的鲁棒性。针对伺服系统三闭环控制的局限性,研究了基于模型的前馈控制。通过建立单关节的直流电机模型以及机器人动力学模型,仿真测试了速度前馈补偿以及力矩前馈补偿。实验结果表明,单关节速度和力矩前馈降低了73.5%和95.7%的轨迹跟踪误差,整体实验中前三个关节的轨迹跟踪误差分别降低了93.3%、92.3%和81.9%。本文通过联合仿真和实验,对动力学建模进行验证,提高了模型的可靠性;通过改进摩擦模型,提高了模型辨识的精度;通过基于广义动量法的新型观测器,避免了求取加速度,减小了模型误差的干扰,提高了碰撞检测的鲁棒性;通过基于模型的前馈补偿控制策略,减小了关节跟踪误差,提高了伺服系统的控制性能。