关键词： computational thinking   intervention   K-12 education   programming   robotics  

摘要： The present research is part of the government funded project called Young Engineer's Workshop (YEW), a 2-week-long summer camp for youngsters to stimulate their interest in coding, electronics and robotics subjects in particular and STEAM fields in general. The YEW curriculum included basic electronics, block-based programming and robotics through Scratch and Arduino, and student projects on building robotics systems. This experimental study aimed to investigate the cognitive and affective consequences of YEW on the development of middle and high school students' computational thinking (CT) competences. The research methodology was based on a one-group pretest-posttest model within a quasi-experimental design. Participants were 17 students from grades 5-6 and 15 students from grades 9-10 in a southwestern city of Turkey. Both quantitative and qualitative data were collected through the YEW application form, a scale for CT, a satisfaction questionnaire, and student diaries. The results showed a significant increase on algorithmic and critical thinking factors of CT whereas no significant changes in creativity, cooperation, and problem-solving factors of CT. Students reported affective gains including high satisfaction and enjoyment of YEW activities, increased interest, and career planning in programming and robotics fields, and improved self-confidence in robotics project development. In conclusion, the study suggests that teaching programming can be an effective way to foster CT to some extent but not an adequate or complete solution. Educators need to seek more suitable teaching methods for a more comprehensive learning of CT that can be transferable to noncomputing contexts.

关键词： challenge-based learning   mechatronics   physical devices   problem-based learning   project-based learning   robotics   STEAM   STEM  

摘要： Nowadays, companies are demanding better-prepared professionals to succeed in a digital society, and the acquisition of Science, Technology, Engineering, Arts, and Mathematics (STEAM)-related competencies is a key issue. One of the main problems in this sense is how to integrate STEAM into the current educational curricula. This is not something related to a subject or educational trend but rather to new methodological approaches that can engage students. In this sense, such active methodologies that apply mechatronics and robotics could be an interesting path to pursue. Given this context, the first necessary task in evaluating the potential of this approach is to understand the landscape of the application of robotics and mechatronics in STEAM Education and how active methodologies are applied in this sense. To carry out this analysis in a systematic and replicable manner, it is necessary to follow a methodology. In this case, the researchers employ a systematic mapping review. This paper presents this process and its main findings. Fifty-four studies have been selected out of 242 total studies analyzed. From these, beyond obtaining a clear vision of the STEAM landscape regarding project topics, we can also conclude that robotics and physical devices have been applied successfully with collaborative methodologies in STEAM Education. Regarding conclusions, this paper shows that robotics and mechatronics applied with active methodologies is to be a good means to engage students in STEAM disciplines and thus aid the acquisition of what is commonly known as "21st-century skills."

关键词： History of robotics   Navigation   Robotics   Spine surgery   Technology in spine  

摘要： Spine surgery is continuously evolving. The synergy between medical imaging and advances in computation has allowed for stereotactic neuronavigation and its integration with robotic technology to assist in spine surgery. The discovery of x-rays in 1895, the development of image intensifiers in 1940, and then advancements in computational science and integration have allowed for the development of computed tomography. In combination with the advancements of stereotaxy in the late 1980s, and manipulation of volumetric and special data for 3-dimensional reconstruction in 1998, computed tomography has revolutionized neuronavigational systems. Integrating all these technologies, robotics in spine surgery was introduced in 2004. Since then, it has become a safe modality that can reproducibly place accurate pedicle screws. Robotics may have the added benefits of improving the surgical workflow and optimizing surgeon ergonomics. Growing at a rapid rate, the second-generation spinal robotics have overcome preliminary limitations and errors. However, comparatively, robotics in spine surgery remains in its infancy. By leveraging technologic advancements in medical imaging, computation, and stereotactic navigation, robotics in spine surgery will continue to mature and expand in utility.

关键词： Parallel mechanism   Dynamics evaluation   Gravity   Placement direction  

摘要： Dynamics performance is very important for a manipulator used for high-speed machining. In this paper, the dynamic performance evaluation method of the 2UPU/SP parallel mechanism in a hybrid robot for aerospace composite machining is studied. The dynamic model is obtained by the virtual work principle, and a dynamic performance index considering gravity is proposed. Based on the given performance index, the effect of placement direction on dynamic performance of 2UPU/SP mechanism is studied, and the comparison between the dynamic performance of 2UPU/SP and the traditional Tricept mechanism is carried out. The results show that the 2UPU/SP mechanism has better dynamic performance in the vertical placement than the horizontal placement, and 2UPU/SP mechanism has better dynamic performance than Tricept mechanism. (c) 2020 Published by Elsevier B.V.

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： 手术制孔机器人   骨钻过程分析仿真   正逆运动学分析   动力学分析   阻抗控制  

摘要： 手术制孔机器人一般应用于骨外科、口腔外科及整形等需要螺钉植入孔的手术中,如:膝关节置换手术、牙齿种植、脊柱外科手术、骨骼固定、脸部整形等手术。在手术过程中,主要是辅助医生完成螺钉植入孔的加工。由于骨骼周围遍布毛细血管、肌肉、神经组织、血管等,制孔过程中,不仅容易引起交叉感染,还有可能引起大出血或者其它严重事故,因此手术制孔机器人的研究对手术制孔安全非常重要。由于骨骼材料属于一种非均匀材料,难以建立准确的数学模型,因此难以对机器人的运动进行准确控制。本课题以骨外科手术机器人的骨钻过程分析与运动控制两方面的内容为线索展开研究。具体研究包括以下四个方面:1、骨骼制孔过程分析:对钻头进行受力分析,分析钻削过程中钻削力的来源与产生,将钻削过程分为钻入、钻中与钻出三个阶段,得到三个阶段力与力矩表达式。2、骨骼制孔过程有限元模拟:建立医疗钻头与骨骼组织有限元模型,设置钻头和骨骼模型的材料属性、网格划分、建立失效模型,通过仿真实验分析钻削过程中力与力矩的变化规律,并为骨骼模型的建立提供依据。3、手术制孔机器人设计、计算与建模:设计制孔末端执行器,并以6自由度UR机器人为机械臂本体设计骨骼制孔机器人结构。根据机器人D-H参数,对骨骼制孔机器人的正运动学与逆运动学进行计算。建立骨骼制孔机器人动力学模型,在动力学模型的基础上,分析特定轨迹下机器人运动过程中各关节角速度、力与力矩等动力学特性,验证手术制孔机器人设计的合理性。4、手术制孔机器人运动控制:根据骨骼制孔过程分析结果,建立骨骼数学模型,计算骨钻过程中接触力大小。建立机器人关节的数学模型,设计阻抗控制算法,搭建阻抗控制系统,计算出骨骼和钻头之间的环境接触力与钻头位置之间的动态关系。对阻抗参数进行分析优化,通过阻抗控制系统计算末端执行器的位置修正量,实现骨骼制孔机器人的运动控制。综上所述,本课题在对骨骼制孔过程的分析与模拟的基础上,设计手术制孔机器人,并进行了运动学与动力学分析,根据特定曲线下各关节动力学特性曲线,机器人在运动过程中,各个关节的角速度、力及力矩变化比较平稳,无过大的冲击;基于制孔过程分析结果,建立骨骼数学模型,计算出制孔过程中的接触力大小,再采用阻抗控制算法,对骨骼制孔机器人的位置进行控制,并对阻抗控制参数进行优化,最优参数下阻抗控制接触力响应测试结果表明,阻抗控制具有更小的超调量,且没有较大幅度的震荡。

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。

关键词： 机器人拖动示教   动力学   参数辨识   导纳控制   零力控制  

摘要： 机器人及其自动化技术的不断发展,对高效、快捷的机器人示教方式提出了更高要求。传统示教方式要求按照特定的编程规则,操作繁琐,效率低下,难以满足日益增长的小批量、多品种、高柔性机器人应用需求。为此,本文基于机器人动力学参数辨识,结合工程应用需求,研究机器人拖动示教技术并进行相关的实验验证。分析机器人拖动示教功能需求,结合动力学模型,分别提出了位置模式下基于导纳控制的拖动示教,以及力矩模式下基于零力控制的拖动示教两种拖动示教实现结构,并设计了在机器人控制器中的实现方案。在分析机器人运动学和动力学模型特征基础上,采用牛顿-欧拉法建立机器人连杆动力学方程,用于计算机器人运行过程中的关节力矩。为补偿拖动示教过程中机器人重力矩项,通过最小二乘法辨识重力项参数,并进行了实验验证。为充分发挥关节力矩传感器能隔离关节摩擦力矩影响的优势,提高关节力矩估算的准确度,研究位置模式下基于导纳控制的拖动示教技术。结合重力项模型辨识结果,减少关节力矩传感器数据中重力项成分,从而更准确地估算外部拖动力矩,并将其引入导纳控制,实现了位置模式下基于导纳控制的拖动示教,通过调整导纳控制参数,实现了更柔顺的拖动示教。设计了力矩模式下基于零力控制的拖动示教方法,通过实时补偿运动过程中的关节力矩,保持机器人处在零力状态,实现了零力控制拖动示教。针对启动力矩过大的问题,研究了随时间交变的预紧力矩补偿技术,解决了启动过程中静摩擦力矩的不确定性问题,并得到了实验验证。在机器人实验平台上,完成动力学参数辨识,分别采用课题设计的导纳控制和零力控制拖动示教方式,在协作机器人和SCARA机器人实验平台上进行拖动实验,验证了两种方案都能较好地实现拖动示教。

关键词： 检测机器人   拉索振动   磁流变阻尼器   刚柔耦合   动力学  

摘要： 拉索检测机器人是一种高空作业特种机器人,用来代替检测人员进行斜拉桥拉索表面损伤或内部断丝的检测,降低人工检测风险和成本,提高检测质量和效率。随着斜拉桥建设的跨度越来越大,这种高柔性、超长度的拉索受高空风载和地面移动车辆等因素的作用下容易产生不同形式的振动。本文通过室内振动实验发现,拉索振动在超过一定频率和振幅下,会造成机器人爬升时出现打滑现象,最终影响检测的质量和效率。对于高空检测机器人,如何降低振动对机器人工作稳定性的影响至关重要。本文提出了一种弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构以提高机器人攀爬稳定性,该机构可以应用在以弹簧提供夹紧力的拉索检测机器人或其他绳索攀爬机器人中。文中设计的剪切式磁流变阻尼器,可以使机器人在通过障碍物时产生较小阻尼力的输出,使弹簧快速产生形变通过障碍。文中利用ANSYS软件对阻尼器内部磁场进行仿真分析,得到电流与磁感应强度的关系;利用Sigmoid模型建立阻尼器的力学模型,结合磁流变液的屈服强度得到阻尼器的力学性能,通过振动响应分析本文所设计阻尼器的有效性。为了研究拉索振动对拉索检测机器人爬升稳定性的影响,本文分别建立拉索和检测机器人的动力学模型,并通过设置辅助坐标系建立机器人和拉索系统的刚柔耦合动力学关系。然后利用MATLAB软件进行仿真,分析风载荷作用下拉索振动对机器人作业的影响,以及本文设计的弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构在不同风速、刚度和阻尼条件下的抑振效果。本文搭建弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构测试平台,测试所设计机构的力学性能。模拟斜拉索环境搭建了拉索振动实验平台,对拉索振动情况下检测机器人的爬升稳定性进行实验研究。实验表明,拉索的振幅对机器人爬升稳定性影响较小,而振动频率对机器人爬升的影响较大。

关键词： 机载机械臂   机器人动力学   自抗扰控制   滑模控制  

摘要： 近些年来,无人机机械臂系统作为无人机技术领域中的研究热点,获得越来越多的关注。无人机机械臂系统极大程度的扩大了机械臂的工作范围,也扩展了无人机的应用领域。本文设计了一套基于小型无人机的多关节机械臂系统,从机载机械臂的系统组成、数学模型、轨迹规划、控制方法展开了深入的研究。本文主要内容概括如下:(1)本文设计的小型无人机多关节机械臂系统主要由涵道无人机、机械臂本体、电池配重机构、无刷直流电机(BLDC)、舵机、传感器和主控器组成。BLDC通过设计的无刷直流电机驱动板进行驱动;主控器为树莓派3B+作为上位机,实现轨迹规划,控制器输出,并实现与驱动电机控制板的通讯。设计了电池配重机构,以补偿机械臂施加于无人机的作用力和力矩。(2)对涵道无人机和多关节机械臂系统进行建模,包括两者各自的运动学、动力学方程以及涵道无人机的气动力学分析。针对组合系统,使用拉格朗日方程建立了本文所研究的涵道无人机平台机械臂系统整体的动力学模型,同时根据求得的模型在MATLAB软件中建立系统仿真模型。(3)针对系统整体的动力学模型,进行自抗扰控制器的设计与仿真。控制器采用扩张状态观测器对系统的内外扰进行估计和补偿,将多变量耦合系统解耦成多个单自由度的二阶串联积分子系统,并对各个控制通道设计误差反馈控制律。(4)面对需要调节的参数太多,难以取得最佳的控制效果,结合自抗扰和滑模控制思想,设计了基于指数趋近律的滑模控制器,通过扩张状态观测器对系统内外扰进行估计并补偿,并对趋近律的参数进行模糊控制,在保证系统快速响应的同时也能抑制系统的抖振现象,提高系统工作性能,同时参数数量的减少也更好地进行工程应用。在MATLAB仿真中对上述控制器的稳定性和准确性以及输出能耗上进行了对比分析,并完成了对机械臂实物的控制器测试。