关键词： 双重寻优   轨迹规划   断路器   柔性装配   粒子群算法   机器人  

摘要： 断路器是配电系统中的重要保护性元件,在工业、民用等领域有广泛应用。制造业自动化水平的提高带了新的柔性化需求,目前断路器生产多以人工为主,自动化装配单元中柔性装配工艺缺失,装配流程复杂,只能完成单一规格产品的制造。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好等优势,是实现断路器柔性装配生产的关键设备。将工业机器人与断路器自动化制造相结合,研究断路器柔性化制造工艺及其相应的机器人协调控制方法,对于提升断路器制造效率和产品品质具有重要意义。本文以断路器柔性装配单元的研发为应用背景,对工业机器人轨迹规划及其时间优化部分进行研究,主要研究内容包括以下几个部分:(1)研究了机器人运动学建模方法,包括位姿描述、坐标变换等方面内容,根据D-H参数法分析断路器装配机器人正逆运动学的求解方法,解决机器人关节角度和末端在空间中位姿变换关系的问题,为机器人最优轨迹规划控制问题提供理论依据。(2)根据断路器装配工艺的特点,研制了一种适用于多种断路器柔性装配的方案,并结合小型断路器自动装配环节中零件位姿调整问题进行了方案验证。详细描述了零件调整单元及其工艺设计思路,解决了小型断路器多种零件柔性制造过程中零件随机姿态如何进行归一化调整装配的问题。(3)研究了小型断路器柔性制造机器人的轨迹规划问题。根据断路器柔性装配工艺及其特性,建立了适用三次样条插值的轨迹规划方法。针对现有机器人轨迹规划中其优化结果存在不稳定性的问题,提出一种双重寻优的机器人轨迹规划新方法,采用个体极值双重寻优的改进粒子群算法,在适应度函数评判得到的优化粒子集合中,分别比对机器人每一分段轨迹对应的分段时间并进行二次寻优,从而得到机器人在运动速度和加速度约束条件下的整体潜在更优解,使轨迹优化结果的稳定性和准确性得到提升。(4)建立了相应的小型断路器柔性化装配实验平台,结合所提出的零件柔性装配工艺,开发了相应的机器人控制程序和软件控制流程,并进行了相关实验验证。

关键词： 动力学   参数化   静力学   尺寸优化   轻量化  

摘要： 随着信息化和智能化技术的高速发展,码垛机器人广泛应用于物流、建筑和制造等行业,因此自动化生产线对码垛机器人提出了更高的要求。机器人的动力学性能是评判机器人整体综合性能的重要指标之一。因此本文通过理论分析、仿真分析和结构优化等科学方法达到提高机器人动力学性能的目的,使码垛机器人的综合性能更优,为同类型码垛机器人的理论研究与工程实践提供借鉴。论文的主要研究内容包括:(1)根据机器人的性能指标完成机器人的整体构型设计、传动方案设计和具体结构设计,最终设计出负载为120kg的四自由度混联码垛机器人。(2)对机器人进行运动学和动力学数学建模。完成总运动学方程建立,模拟出机器人工作空间,然后依据拉格朗日动力学理论对机器人进行动力学数学建模,求解出机器人总动力学方程。数学建模为仿真分析与结构优化提供坚实的理论指导。(3)对机器人进行多刚体和刚柔耦合动力学仿真分析。全面模拟出机器人的运动学特性,然后对机器人的关键部件进行柔性化处理,完成机器人刚柔耦合动力学仿真分析。对比分析机器人处于多刚体状态下和刚柔耦合状态下的运动特性和动力特性。(4)对机器人进行参数化尺寸优化设计。以降低竖直和水平驱动力峰值为优化目标,对参数化动力学模型分别采用设计研究、试验设计和优化设计的方法进行尺寸优化设计,达到降低水平和竖直驱动力峰值的目的,完成机器人的尺寸优化分析。(5)对机器人进行轻量化优化设计。对机器人的关键部件进行拓扑优化分析并重新完成结构设计,对比分析机器人在轻量化优化前后的静力学性能和振动性能。保证机器人安全工作的前提下,最终实现机器人的轻量化设计。

关键词： 工业机器人   动力学模型   参数辨识   前馈控制  

摘要： 工业机器人是智能制造的重要基础,广泛应用于汽车、电子与轻工生产线上。控制系统是工业机器人的灵魂核心,其性能决定加工质量与运行效率。由于机器人是关节运动系统,运动惯量随运动位姿变化而改变,其关节力矩耦合度高,当高速、重载和臂展变化大时,其惯量变化大,非线性效应显著。使用常规的PID控制方法时,为保证稳定性只能使用保守的控制参数,由此导致动态特性差,轨迹误差大和定位效率低,系统性能不能发挥。为此,本文进行基于逆动力学前馈的工业机器人控制技术研究,提高机器人控制性能与运行效率。主要内容如下:对六自由度工业机器人进行了动力学建模与分析,并对关节摩擦力矩进行线性化处理;研究了基于逆动力学的前馈控制策略,并在Simulink环境下进行了控制性能仿真。结果表明,逆动力学前馈控制可以有效提高机器人动态特性与控制性能。逆动力学控制的关键在于模型参数的精确获得,对此,采用整体辨识法辨识机器人动力学参数:以最小惯性参数简化动力学模型;利用有限傅立叶级数+五次多项式方法设计的激励轨迹,以最小化观测矩阵条件数为目标优化轨迹参数,提高激励轨迹对噪声的鲁棒性;利用加权最小二乘法估计参数;并用扩展状态观测器处理关节运动状态采样信号,仿真结果表明了该方法的优越性。在上述研究基础上,搭建了六轴工业机器人实验平台,进行了机器人的动力学参数辨识和基于逆动力学前馈的运动控制实验研究。结果表明,该参数辨识方法实现了较好的辩识效果,基于逆动力学的前馈控制效果明显,能有效提高机器人控制特性,有效降低轨迹误差。

关键词： 工业机器人   关节刚度辨识   姿态优化   动力学   离线编程  

摘要： 工业制造的发展正在由传统的大批量、单一化特点逐步转变为小批量、定制化的发展,智能制造时代的到来对机械制造设备提出了更高的要求。工业机器人在生产中有着广阔的应用前景,但在金属材料加工,特别是铣削加工中的加工质量和精度还有待提高。本文以提高机器人铣削加工质量为目标,从机器人运动学和动力学两方面入手,对铣削加工姿态进行优化,主要研究内容如下:(1)为准确描述机器人运动状态,针对KUKA KR60机器人推导了其关节坐标系齐次变换矩阵。基于对该机器人各关节位置、尺寸的测量,采用了标准D-H法建立了其运动学模型。在此基础上引出机器人运动学雅克比矩阵,为刚度矩阵映射关系奠定基础。借助MATLAB构建了机器人的运动学仿真模型,模拟机器人的关节和末端理想运动位置,为动力学仿真的误差分析提供参照。(2)为实现机器人关节刚度辨识,分析了机器人各关节传动系统,建立关节刚度等效简化模型,推导了考虑关节柔性的机器人拉格朗日动力学方程;利用ADAMS软件构建了机器人动力学模型。提出了一种基于模态测量的机器人关节刚度辨识方法,通过力锤模态试验,测量机器人的关节固有频率和模态振型,结合ADAMS模态分析完成机器人的关节刚度辨识并分析了关节刚度对机器人动态特性的影响。(3)为优化机器人加工中的刚度性能,以刚度椭球理论为基础,分析了传统的方向半径、椭球体积作为刚度衡量指标的优缺点;针对铣削加工中刀具末端的受力情况在刚度椭球中的映射关系,提出了一种基于均衡刚度的最优姿态双级优化方法。在所建立的ADAMS模型中对所提出的方法和传统方法进行对比分析,验证了该方法的有效性。(4)设计了凸台铣削加工仿真实验。对刀具运行的末端位移、速度和加速度情况进行了分析,结果表明,该方法能够有效地提高末端运行的精度,同时有利于减少机器人的振动,改善机器人加工中的动力学性能,减少工件加工的几何误差。最后基于机器人在运动控制中的需求,建立了UG-KUKA离线编程平台,利用UG实现加工路径规划,C++编程实现路径读取后确定最优姿态,去除冗余第六轴同时生成.dat、.src格式的KRL(KUKA Robot Language)机器人运动控制文件。

关键词： 空间机器人  

ISBN: (纸本)9787118122091

摘要： 本书全面阐述了空间飞网机器人动力学与控制中的关键技术, 以航天在轨服务在轨操作为背景, 揭示特殊系统中的普世科学问题, 提出共性解决算法。具体内容包括空间飞网机器人的动力学建模及分析、空间飞网机器人的释放特性研究、欠驱动空间飞网机器人释放后稳定控制、未知不确定干扰下欠驱动空间飞网机器人逼近段稳定控制、空间飞网机器人逼近段构型机动控制等。

摘要： "你相信吗?原本我是班级倒数的成绩,现在因为学习了人工智能,成绩已经达到班级中游水平了。我相信,走上班级前列也不是太遥远的事!"在开始采访之前,韩钰博兴奋地告诉记者。因为接触机器人,他不仅变得性格开朗,成绩也得到了飞速提升,而他的家庭也因为这次选择,改变了前进的方向。

关键词： 工业机器人   动力学参数辨识   牛顿-欧拉动力学模型   整体辨识法   软件系统开发  

摘要： 工业机器人作为典型的机电一体化产品,涉及到机械工程、电子技术、计算机技术、力学等多个学科的知识,经过几十年的发展历程,已经在现代化生产制造生活中发挥着重要的作用。机器人动力学研究和分析的是作用在机器人上的力和力矩与机器人关节位置等之间的关系。要想提高机器人的分析精度,必须建立起准确的动力学模型。获取模型中包含的动力学参数的过程即为参数辨识。本文采用的整体辨识法是参数辨识研究中最常用的方法。主要研究内容如下:（1）采用牛顿-欧拉法对工业机器人进行动力学建模,基于递推过程得到了机器人的动力学一般方程。对影响建模准确性的因素进行了探讨,提出了改进的牛顿欧拉模型,将六关节工业机器人简化为三关节,视机器人为刚体,并加入了耗散模型。最后对改进的牛顿欧拉模型进行了验证。（2）将整体辨识法应用于工业机器人动力学参数辨识。本文使用了一种直接重组参数的方法,找到了前三个关节的可辨识重组参数,即最小动力学参数集。周期性轨迹具有一定的优势,选择五阶傅里叶级数作为激励轨迹的形式,采用差分进化算法解决这一多目标优化问题;基于周期性轨迹,采用了先将关节角度和电机电流平均再傅里叶变换转到频域处理的方法。最后,采用最小二乘法作为参数估计算法。（3）完成了工业机器人动力学参数辨识的仿真分析和实验研究。基于动力学软件Adams进行了机器人的仿真分析验证;并对工业机器人进行了参数辨识实验,试验结果表明,该方法具有很好的适用性和可行性。（4）基于动力学建模和参数辨识理论,进行了机器人动力学参数辨识虚拟仿真软件系统的开法。验证表明软件可用。

关键词： 柔性杆   柔性铰   铰刚度   铰阻尼   动力学控制  

摘要： 在航天、航空、机器人、车辆、兵器等工程领域,许多系统可看作柔性杆柔性铰机器人来研究。首先建立了考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人模型,模型中柔性杆件的变形不仅考虑纵向拉伸变形和横向弯曲变形,还考虑了由柔性杆件横向变形引起的纵向耦合变形量。其中柔性铰考虑了阻尼和质量。采用假设模态法描述杆件的柔性变形,运用第二类拉格朗日方程推导出了考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人高次刚柔耦合动力学方程。用得到的方程编写程序对考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人进行仿真分析,探究柔性铰的刚度和阻尼对柔性单杆单铰机器人动力学响应的影响。然后建立了考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人模型,模型中柔性杆件的变形不仅考虑纵向拉伸变形、横向弯曲变形和杆件扭转变形,还考虑了由柔性杆横向变形引起的纵向耦合变形量。模型中也考虑铰的阻尼和质量。采用假设模态法描述杆件的柔性变形,运用矩阵递推方法程式化推导出考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人拉格朗日形式的刚柔耦合动力学方程。用得到的方程编写程序对考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人进行仿真分析,探究柔性铰的刚度和阻尼对柔性多杆多铰机器人动力学响应的影响。最后用所得模型,求得刚性铰和柔性铰情况下机器人完成相同运动所需的控制力矩,探究铰的柔性对机器人控制的影响。

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： SCARA机器人   运动规划   动力学分析   轨迹优化  

摘要： SCARA机器人在自动化生产中，广泛用于装配、搬运和点胶场合，能够很大程度上解决不易手工操作的地方，使用SCARA机器人能够大大提高作业效率。本文从SCARA机器人本身出发，参照机器人各关节的应用参数，展开关于运动学、轨迹优化以及动力学方面的分析。通过描述机器人的基础知识进行运动学方面的分析，对比分析各种轨迹规划算法，提出一种改进的新算法进行轨迹优化，并在MATLAB软件上完成仿真验证。最后利用Adams软件进行动力学规划的验证。　　首先叙述了国内外对工业机器人的研究状况和目前的发展趋势，分析国内机器人与国外机器人之间差距所在，提升国内机器人的性能，并针对当前机器人研究中容易碰到的难题，给出相应的解决方案，本文从运行轨迹出发，提出一种新方法解决机器人运行过程中的弊端。　　接着创建SCARA机器人的运动学模型。利用机器人各关节的参数描述其位姿，并将连杆之间的位置关系用D-H法表示出来，由此求解机器人的正运动学和逆运动学方程。使用MATLAB中roboticstoolbox创建机器人模型，随后对所建立方程的是否可行进行确认。最后机器人作业时所能达的工作空间可以采用蒙特卡洛法来获得。　　为了使机器人运行更加平稳光滑，轨迹规划在此扮演者重要的角色。先后在笛卡尔空间和关节空间中进行分析研究，然后选择合适的规划算法。为了保证机器人达成更高效、更耐用的准则，分析各种插值方法不同点，多项式插值的阶数的高低决定了结果的优劣，不能保证机器人的冲击力会降低;而B样条法能够解决该问题，保证机器人平滑的运行，却不能在初始和终止时保证其冲击。因此取其各自的优点结合成7-B-7的轨迹规划，既实现了规划上的突破，又能达成了规划的目标。　　采用运动规划当中的位置曲线，结合动力学软件进行规划。首先对比分析各个动力学建模方法，最终选用拉格朗日法，然后将三维模型用在Adams软件中构成虚拟样机，添加约束和驱动，得出最终的仿真结果，由结果曲线图可以确定动力学的正确性，而得到的力矩曲线又能够帮助选择机器人内部的电机和加速器。