关键词： 超空泡   非线性时变动力学模型   变结构控制   RBF神经网络  

摘要： 常规水下机器人由于被流体全包裹,导致其所受到的流体阻力大,长期以来航行速度很难突破40 m/s。超空化减阻技术可以将水下机器人的航行阻力减小90%以上,航行速度可提升至100 m/s的量级,因此,采用超空化减阻技术的水下机器人具有重要的研究意义。超空化减阻技术是在机器人外表面包裹一层空泡,使其不与液体直接接触,从而大幅度减小流体阻力,但也会因为空泡的包裹丧失大部分浮力。因此,基于超空化减阻技术的水下高速机器人在获得高速度的同时,其动力学建模与控制系统设计相较于传统水下机器人也更加复杂。本论文依托于吉林省“十三五”科学技术研究规划项目《水下高速超空泡鱼雷时变动力学建模与控制技术研究》(批准号:JJKH20181139KJ),对基于超空化减阻技术的水下高速机器人时变动力学模型和控制技术展开研究。本文主要工作和研究成果如下。对水下高速机器人的各主要部分进行详细的受力分析,在考虑空泡轴线偏移和尾翼效率的基础上,运用动力学定理建立了非线性时变动力学方程组。然后,根据纵向平面的运动特性,将所建立的非线性时变动力学方程组向纵向平面内简化,得到纵向平面非线性时变动力学模型。该动力学模型的动态特性仿真分析表明:开环水下高速机器人系统无法保持运动稳定性,需要为其设计合适的运动控制器。水下高速机器人由于存在模型参数不确定性和外部干扰等不确定因素,且以上不确定因素满足匹配条件,因此,使用滑模变结构控制理论为其设计了轨迹跟踪控制器。仿真结果表明:存在模型参数不确定性和外部干扰的水下高速机器人可以较好地跟踪预定轨迹,但是状态变量和控制变量出现了一定程度的抖振。针对滑模变结构控制器的抖振问题,设计了基于RBF神经网络的自适应滑模变结构控制器。利用RBF神经网络补偿模型参数的不确定性和外部干扰,并使用Lyapunov理论推导出了RBF神经网络的权值变化率,且证明了控制策略的稳定性。仿真结果表明:存在模型参数不确定性和外部干扰的水下高速机器人不仅可以很好地跟踪预定轨迹,而且状态变量和控制变量的抖振现象也大幅度减小。

关键词： 工业机器人   运动学   动力学仿真   拓扑优化   二次设计  

摘要： 在制造业竞争日趋激烈的情况下,商品的利润也在不断的被挤压,利润空间受制于产品生产过程中的成本。伴随着机器人技术的应用和发展,机器人被用来代替人工作业,机器人装配具有低成本、高效率和低风险的优点,使用机器人来代替人工是不可避免的趋势。本文针对机器人结构进行轻量化研究和设计,旨在提高机器人性能,减少机器人的生产成本和能耗,降低装配作业中的生产成本。本文主要研究内容和成果包括以下几个方面:(1)系统的阐述了机器人国内外的发展历程,机器人在装配行业的发展应用和取得的成果,有限元分析法的介绍和国内外学者对于机器人轻量化设计所做的工作和收获的成果。(2)结合机器人实际情况,对其运动学进行了分析建模,得到了研究对象相邻杆件间的齐次变换矩阵,绘制了机器人D-H系数表格和机器人的连杆坐标系,并且对机器人的运动方程进行了分析和求解,得到了可以表达任意关节角度的表达式。(3)分析研究了机器人动力学方程建立的条件,针对本文研究对象,建立了动力学方程并求解。借助仿真软件,模拟仿真机器人在工作过程中各关节转动情况,得到了机器人各关节的角度变化数据。在后续动力学仿真过程中,结合各关节角度变化数据,得到了机器人底座、旋转座和大臂的受力情况,即部件的受力幅值和X、Y、Z三个方向的受力图解。(4)介绍了拓扑优化方法的发展历程,结合机器人本身特性确定选用变密度方法对机器人部件进行拓扑优化。通过有限元软件分析得到了机器人部件受力云图分布和底座、旋转座和大臂优化后的拓扑优化结构,并对三个结构拓扑优化结果做了分析,确定了初步优化区域。(5)针对拓扑优化结果只能使用3D打印、不利于实际生产加工的问题,结合现实中使用情况,提出了三种设计方案,得到了三种二次设计后的模型,并对其在不改变原始装配原则的情况下对其进行了有限元分析。拓扑优化结果表明,底座、旋转座和大臂的质量分别减小了44.47%、42.00%和33.11%;最大应力分别减小了16.67%、69.43%;最大位移分别减小了16.71%、62.33%。在达到机器人轻量化目标的同时也提高了机器人的性能。

关键词： 空间机器人   捕获卫星操作   减撞柔顺控制   RBF神经网络   事件采样输出反馈  

摘要： 随着人类逐渐意识到太空真空资源、轨道资源、矿产资源等的重要性,各类如空间飞行、空间探测、空间开发等空间技术应运而生。同时,得益于空间技术的发展,空间机器人也被期望代替宇航员执行更复杂和更危险的太空任务;如空间站建设、失效部件替换、卫星维修、卫星燃料加注等;而空间机器人的捕获操作技术是实现上述太空任务的关键。考虑到空间机器人捕获高速旋转卫星时,其关节会受到很大的冲击力矩,若冲击力矩过大,将对最薄弱的关节处造成破坏。因此,在空间机器人捕获卫星过程,对其关节免受冲击力矩破坏的研究非常有意义。基于上述背景,本文考虑建立两种构型的空间机器人系统模型,并研究其捕获卫星过程的动力学及减撞柔顺控制。首先,利用第二类Lagrange方程法,分别得到了捕获操作前双臂空间机器人、含柔性机构双臂空间机器人系统的动力学方程。基于冲量定理、系统运动关系及牛顿第三定律,计算了空间机器人捕获卫星过程受到的冲击效应及冲击力,得到了捕获操作后混合体系统的综合系统动力学方程。其次,针对双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,考虑其速度信号受噪声影响无法准确测量及系统存在模型不确定、外部扰动等非线性不确定项,设计了基于速度重构、不确定估计的镇定控制方案。接着,针对含柔性机构双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,运用奇异摄动理论将其分解为快变子系统和慢变子系统。考虑其速度信号受噪声影响无法精确测量及系统存在非线性未知项,提出用RBF神经网络观测器重构空间机器人系统关节速度项及补偿空间机器人系统未知项;同时,考虑到星载计算机的计算能力有限,神经网络权值实时更新将降低控制系统的运行效率,提出用事件采样输出反馈控制来约束神经网络权值的更新。综合上述两点,设计了一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络减撞柔顺控制方案。为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后,应用Matlab仿真软件对捕获操作过程进行数值仿真,验证了所提减撞柔顺控制策略的正确性。

关键词： 机器人控制系统   机器人学   视觉伺服   示教器   程序解释  

摘要： 现代制造业正在往自动化和智能化的方向发展,控制系统作为工业机器人的大脑,决定着机器人的性能。传统的机器人控制系统是封闭式的,存在移植性差、可扩展性差和开放程度不高等不足。同时,智能制造对机器人的自主性控制要求也越来越高,将视觉传感器引入机器人控制系统的需求显著增加。针对以上问题,本文根据模块化和分层化的设计思想,在课题组已有的一套总线式软件运动控制器的基础上研究和开发了一套通用型工业机器人控制系统,并将视觉伺服功能纳入其中,使其能够实现对机器人的智能控制。本文的主要研究工作如下:首先,通过分析工业机器人控制系统的功能需求,选取“Windows+RTX”作为软件开发平台并给出控制系统的硬件框架,将控制系统分为机器人参数配置软件、示教器软件和控制器软件,完成了控制系统的功能与架构设计。其次,采用D-H建模方法建立六轴机器人的运动学模型,并对其进行正逆运动学分析。为保证机器人运动的平稳连续性,提出采用七段S型速度曲线规划方法分别在关节空间中对关节坐标的合成位移进行规划以实现机器人的点到点运动,在笛卡尔空间中对合成位移和角位移进行规划以实现机器人的直线运动和圆弧运动。同时介绍了机器人雅克比的构造法,并讨论了机器人的奇异点问题。再次,研究了视觉伺服的实现过程,通过相机标定得到其内外部参数,分析了视觉伺服的基本组成,根据视觉特征的不同,设计了基于图像和基于位置的视觉伺服方案,提出了采用自适应增益以缩短视觉伺服的收敛时间,利用一阶非齐次线性方程建立误差与误差导数之间的关系,以保证机器人速度的连续性。接着,设计并实现了机器人参数配置软件和示教器软件,论述了其各模块作用及软件的运行流程。然后,介绍了控制器软件的实现,对其各模块的实现原理和工作流程进行了详细分析。在程序解释模块中,设计了一套机器人编程语言,完成对机器人程序的词法分析、语法分析、语义分析和指令解释。最后,在选取控制系统的硬件设备后,分别进行了手动示教实验、机器人程序运行实验和视觉伺服实验,实验结果表明控制系统符合设计预期,机器人的性能表现良好,能够满足实际的应用需求。

关键词： 电弧增材制造   切削机器人   复合铣削加工   机器人动力学   表面粗糙度  

摘要： 近几年,电弧增材制造取得了十足发展,在船舶、航空航天、汽车制造等领域均有了大量的应用,随着国内外制造业的发展,对增材制造的零件的要求也越来越高。但是仅依靠电弧增材一种工艺难以确保成形零件的表面粗糙度达到要求,限制了其应用和发展。本文针对电弧增材制造成形件外表面存在的缺陷层,利用铣削机器人对其进行切削去除,以提高零件表面质量。本文的主要研究工作如下:(1)分析了增材制造零件表面存在的缺陷,确定了零件的加工要求,制定了缺陷层去除的加工方案,根据现有的切削加工设备,选择切削刀具和刀柄,建立机器人铣削加工系统,初步确定了加工工艺参数的范围。(2)为了获取机器人铣削加工路径,采用离线编程的方式,针对加工要求编写RAPID程序,通过轨迹仿真、关节轴配置以及碰撞检测之后确保程序的可行性,得到面向不同刀具的多种铣削加工路径,将RAPID程序导入机器人控制器后能够用于铣削加工。(3)为了使机器人在铣削过程中处于最优工作状态以提高铣削加工效率,建立铣削力模型并进行了铣削功率的校核,求解不同铣削力作用在机器人末端的力和力矩,利用牛顿-欧拉方程建立了铣削机器人动力学模型,运用逆动力学反向求解了不同路径下机器人关节力矩随时间的变化情况,确定了对机器人关节力矩影响最小的铣削加工路径,最后,为避免在铣削过程中发生共振现象,对铣削机器人进行模态分析,得到机器人的固有频率。(4)以获取在不同的加工路径下的机器人铣削最优工艺参数为目的,针对主轴转速、每齿进给量、切削深度和切削宽度四个因素分别进行单因素试验和正交试验,探究不同工艺参数对零件表面质量的综合影响,从而确定在不同加工路径下,使用不同的刀具对缺陷层去除之后零件表面质量最佳的铣削工艺参数组合。通过本文工作,确定了使用铣削机器人对增材制造零件表面缺陷层去除的加工路径和工艺参数,对提高增材制造零件的表面粗糙度和表面质量具有重要的意义与实际价值。

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。

关键词： 套环装配机器人   迭代学习控制   机器人学   动力学  

摘要： 随着自动化生产进程的发展,机器人的人工智能控制技术也得到了进一步的研究,工业机械手的投入,大幅度的降低企业生产成本,同时也提升了生产效率。本课题以地铁管片钢筋笼套环装配环节为研究对象,传统的钢筋笼套环装配、焊接均为人工,效率慢精度低,本课题将桁架机械手应用于钢筋笼套环装配工序,研究并设计一套低成本、高性能的专用机械手。在对地铁管片套环装配生产过程的分析及机械手控制系统的研究基础上,主要做了以下研究:设计套环装配机器人结构。根据钢筋笼套环供料及装配的工艺流程,研究设计了桁架机械手及套环卡具的总体方案,对末端夹持器机械机构进行设计,对伺服电机计算及选型。并且使用SOLIDWORKS Simulation软件对设计的末端夹持器进行静态有限元分析,通过对机械手的应力应变及变形云图的分析,证明了所设计的末端夹持器满足实际工作要求。建立套环装配机器人数学模型。应用机器人学D-H方程对所设计的机械手进行数学建模,得到了运动学方程、末端夹持器的位姿状态方程,并且利用反变换方法求得了运动学的逆解。应用拉格朗日方程对桁架机械手进行研究,最终取得了机械手的动力学模型。研究套环装配机器人控制算法,在动力学模型的基础上,对机械手运动施加闭环PD迭代学习算法,并给出了算法收敛的证明过程,经过MATLAB仿真验证,证明了使用该算法可以获得较好的精度,在闭环PD迭代学习的基础上,对PD型变增益迭代学习算法进行研究,并给出了收敛范围的数学证明,通过仿真与PD型迭代学习算法比较,得到了一种精度更高、收敛速度更快的迭代控制算法。开发了套环装配机器人的硬件控制系统,对机械手主控板进行了详细的设计,根据底部卡具的工艺运动流程,设计一套专用的卡具气缸驱动及位置检测控制板。对主控板进行伺服控制信号的验证调试,得到了可以有效驱动伺服电机的PWM信号。基于设计的主控板及卡具控制板,使用Lab VIEW软件进行对应工序的上位机设计。

关键词： 混联腿机构   四足机器人   动力学   步态规划   力/位混合控制  

摘要： 近年来,足式机器人已经成为越来越多的学者研究的热点课题。其中四足机器人因其高机动性、行走速度快、稳定性高、复杂地形适应能力强、运动灵活性较好等特点,被广泛应用于抗震救灾、地质勘测、军事战斗侦察、医疗检测等领域,且发挥不可替代的作用。因此,研究四足式机器人对现应用领域具有深远的意义。首先,对混联腿四足步行机器人进行运动学建模,通过分析得到了动平台各参数之间的关系。然后基于Lagrange动力学分析方法,对混联腿进行动力学分析,得到了各驱动支链的等效驱动力矩。通过算例分析,验证Lagrange动力学分析的正确性。为进一步分析四足步行机器人的步态规划和力/位混合控制起到了重要的作用。其次,为了提高机器人行走能力和机体运行的稳定性,提出了足端类半圆形、类矩形轨迹运动曲线;并基于五次样条曲线对四足机器人的重心运动轨迹进行了规划;通过ADAMS仿真实验,得到机体沿运动各个方向的姿态角度,通过分析对比,验证步态规划、足端规划方法的正确性和优越性,得出了在误差允许的范围内,四足机器人具有较好的稳定性。然后,为提升四足机器人的柔顺性,建立四足机器人的力学模型,基于足力分配算法,利用混联腿的雅克比矩阵建立各支链的等效驱动力矩与足端力的关系,并推导出理想化的处于四足支撑相、三足支撑相时足端沿各个方向力的大小。最后,基于步态规划、力/位控制策略进行了 ADAMS与Simulink模块联合仿真,仿真结果验证了足力分配方法、力/位控制算法的有效性,为后续试验样机提供了理论依据。最后,搭建四足机器人实验平台,分别对混联腿的足端类半圆形、类矩形轨迹和四足机器人的迈步进行了实验,通过传感器采集的数据与理论和虚拟样机的仿真结果对比,来验证理论分析方法及虚拟样机仿真的可靠性与准确性。

关键词： 机器人学基础   移动PBL   教学评价   教学改革  

摘要： 《机器人学基础》作为自动化和机器人专业一门理论与实践联系紧密的专业课程,其教学改革一直受到教学者的密切关注。本文针对该课程理论知识专深、综合性强且与工程实践关系紧密的特点,提出了一种以工程项目为引导,以线上慕课资源为辅助的合作研讨教学模式。通过分析移动PBL及建构主义思想的相关理论,对该教学方法的可行性进行了分析论证,并从教学目标、教学实施与教学评价三个维度对基于此方法的课程建设方案展开了讨论。本文提出的教学模式也可向本科高年级相关专业实践性较强的其他课程进行推广。

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。