关键词： 工业机器人   动力学模型   摩擦模型   拖动示教  

摘要： 工业机器人正朝着智能化方向发展,人机协作能够完成复杂多变的工作任务,并提高工作效率,因此成为机器人研究领域的热点。拖动示教技术作为人机协作领域的重要研究方向,往往需要机器人具备一定的力感知能力。由于力/力矩传感器价格昂贵,通常是利用检测电机电流的方式获得关节力矩,并结合机器人动力学模型得到机器人末端的受力情况。本文以六自由度串联型工业机器人为研究对象,对机器人动力学模型、关节内部非线性摩擦和免力矩传感器拖动示教等问题展开深入研究。主要内容如下:机器人动力学参数辨识是实现免力矩传感器拖动示教的前提条件,其估计精度直接影响机器人的控制性能。为提高机器人动力学模型精度,利用牛顿-欧拉迭代法进行机器人动力学建模,采用有限傅里叶级数轨迹作为机器人动力学辨识激励轨迹,同时以观测矩阵的最小条件数为优化准则,利用粒子群算法进行激励轨迹参数优化。以一定的采样周期采集机器人运动过程中关节力矩和运动状态信息,并对采样信息进行预处理以提高信噪比,最后基于加权最小二乘法进行机器人动力学参数辨识。在机器人关节转速较低时,关节内部摩擦表现出复杂的非线性特性,针对传统库伦+黏性摩擦模型并不能真实反映其摩擦特性,提出一种改进Stribeck摩擦模型对关节摩擦进行建模,以改善机器人低速状态时的控制性能。设计高、低速余弦轨迹相结合的激励轨迹,以及采用每个关节单独辨识的方案以提高摩擦模型辨识的准确性,根据实验测得的关节速度和摩擦力矩数据,通过模拟退火混合遗传算法优化得到最佳摩擦参数。在机器人动力学模型已知的基础上,结合基于广义动量的扰动观测器实现机器人的外力估计。为提高机器人拖动示教过程中的平滑性,建立机器人导纳控制模型,同时将机器人的整体拖动过程进行运动阶段划分与分析,并采取相应的运动控制策略。最后,分别提出了基于关节空间和笛卡尔空间的机器人免力矩传感器拖动示教方案。为验证上述所提出的理论模型和控制方法的有效性和可行性,搭建了机器人实验平台,并对机器人动力学模型、改进Stribeck摩擦参数辨识以及拖动示教三方面分别进行相关实验。通过模型拟合曲线与实验数据对比,证明了机器人动力学模型参数的准确性以及所提出的改进Stribeck摩擦模型的优越性。最后,将机器人工作在位置控制模式下,分别开展了关节空间和笛卡尔空间上的机器人拖动示教实验,验证了所提出的拖动示教方案的可行性和有效性。

关键词： 混联机器人   弹性动力学建模   铣削稳定性分析   三维表面形貌评价  

摘要： 本文密切结合我国高端制造领域中对大型复杂结构件高性能现场加工的需求,系统研究了一种新型五自由度混联加工机器人——Tri Mule的整机弹性动力学建模、铣削稳定性分析,以及被加工表面三维形貌创成与表征的理论与方法,并开展了相关综合实验验证。全文取得了以下创新性成果:在弹性动力学建模方面,提出了一种可有效刻画Tri Mule机器人全部低阶模态的最小自由度弹性动力学半解析建模方法。该方法一方面借助子结构综合技术构造支链体超单元模型,保证精度的同时大幅降低了自由度数目;另一方面借助微小位移旋量/力旋量的对偶关系,构造出并联闭环运动链中从动关节的通用刚度模型,力学概念清晰,可有效简化子结构间的组集手续。计算机仿真与实验结果表明,半解析模型可快速准确地预估机器人在工作空间全域内的低阶动力学行为,与实验结果在固有频率、模态振型及末端频响函数方面有很好的一致性。此外,研究结果还表明,驱动支链的一阶弯曲模态对刀尖点的低阶动态特性有一定影响,在建模时应予以考虑。上述模型及分析结果为该机器人的铣削加工稳定性分析及表面形貌预测奠定了坚实的理论基础。在铣削稳定性分析方面,建立了虑及刀具刀柄动特性的机器人系统动力学模型,进而构造出考虑动态切厚再生效应及振型耦合效应的铣削过程动力学方程。据此,借助零阶频域法和改进的时域全离散法系统研究了Tri Mule机器人的铣削稳定性,前者可直接得到极限切深的解析解答,而后者可借助稀疏矩阵乘法操作有效提高计算效率。计算机仿真与实验结果表明,在高转速大径向切深铣削铝合金时,稳定域边界由机器人系统高阶模态主导,且不随位形变化;在低转速小径向切深铣削钛合金时,稳定域边界由机器人系统低阶模态主导,且随位形变化。此外,两种工况下各组切削实验的实测切削状态与理论预测结果具有良好的一致性。上述模型及方法可全面揭示铣削稳定性随位形的变化规律,为实现该机器人稳定铣削加工提供了重要的理论与实验依据。在被加工表面三维形貌建模方面,分析了参与切削刀具段上不同位置的激励及振动响应,推导出考虑Tri Mule机器人系统动态特性影响的刀齿运动轨迹解析表达式。据此,借助牛顿迭代法提出了一种用表面轮廓值创成三维表面形貌的数值算法。该方法应用闭区间连续函数零点存在定理,可有效解决迭代初值设定问题,具有较高的精度。计算机仿真与实验结果表明,在低转速小径向切深铣削钛合金时,被加工表面的位置误差和粗糙度与机器人系统低阶动态特性密切相关,理论预测值与实验值的最大偏差分别为18%及15%。研究结果还表明,平均表面位置误差与粗糙度均方根误差在工作空间中的分布与系统低阶模态最大动柔度分布呈正比。上述模型及方法可全面揭示表面形貌特征随位形及工艺参数的变化规律,为客观评价该机器人的铣削加工质量提供了有效的技术手段。上述研究成果为实现Tri Mule机器人高性能铣削加工提供了技术支撑,对促进该机器人的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。

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： 六轮腿机器人   质心动量动力学   混联机械腿   尺度综合   接触约束   分层控制   运动规划  

摘要： 移动机器人能够代替人类进入危险、复杂的环境中执行搜救、巡检、维护等操作任务。其中结合了在结构环境中具有高速、低能耗和高效率的轮运动模式,和在非结构环境中具有更大机动性和稳定性的腿运动模式的轮腿式移动机器人,一直以来是移动机器人领域的研究热点。现有的轮腿式移动机器人在机构优化、系统建模、运动生成和全身力控等方面面临着较大困难,还不能充分协调轮式运动和腿式运动两者结合的优势。本文旨在提出一种六轮腿式混联移动机器人“龙骧”,研究其尺度综合、质心动力学以及运动规划及控制策略,使其在移动速度、能效和崎岖路面上的通过能力有较大改善,同时增大其承载能力和刚度。全文的主要研究内容概括如下:首先,根据复杂地形和有限空间中关于轮腿机器人的设计要求,提出了一种直立型混联式腿构型,以此构型为腿部结构设计了一种新颖的中腿可上翻的六轮腿移动机器人“龙骧”。龙骧机器人的六条腿对称分布于躯体的两侧,每条腿的末端或中间安装有一个主动轮,从结构上确保了机器人移动稳定性。在躯体中间安装有两个翻转机构,使两条中腿可翻转到躯体上方,方便进入管道等有限空间执行操作任务。其次,对龙骧机器人腿部的U&2RUS机构进行建模。把U&2RUS机构解耦为相互垂直的两个四杆机构,并给出了精确、简洁的运动学正逆解,分析了机构的奇异性,探索了运动/力传递性能,为机器人参数和工作空间的设计和优化提供了依据。为了得到性能优越的机器人,使用基于性能图谱的设计方法(PCb DM)确定U&2RUS机构的尺寸优化区域,再根据轨迹优化形态设计几何法搜寻到优化区域中的最优尺寸组合。把龙骧机器人简化为移动的6-SPU并联机构,通过求解并联机构的工作空间和支撑多边形,确定了机器人的稳定工作空间。再次,利用质心运动学及动量理论推导出龙骧机器人质心的速度和动量表达式,推导出质心质量矩阵和质心动量矩阵。再结合机器人的广义动力学、全身运动学和稳定性理论,构建了龙骧机器人的质心动力学模型,建立了关节空间的质心动力学方程和基于动态一致性广义逆的操作空间动力学方程。开发了有效的质心动量递归算法来计算质心动量矩阵、质心复合刚体惯性、质量位移矩阵、约束质心动量矩阵。针对龙骧机器人的移动情况,建立了含接触约束的轮与地面接触几何模型,以捕捉机器人足端与地面接触时的动力学特征,结合躯体和每条腿的质心特性,建立了躯体和各轮腿之间的质心动量和动力学模型。利用接触雅可比矩阵,将系统的动力学方程投影到接触任务空间,得到了接触一致动态逆雅可比矩阵,导出了接触约束任务一致零空间的控制律。提出的运动学模型、轮心运动模型、机器人质心动量和动力学模型以及分层控制模型,为机器人的全身运动控制奠定基础。然后,利用轮腿式机器人的基本PD控制器和零力矩点(ZMP)控制器,结合运动学和质心动量、动力学模型,推导出轮式运动控制模型,该模型被分解为与躯体运动、腿运动和轮运动相关的三个部分。为了机器人的协调稳定运动控制,基于接触模型捕捉了机器人足端与地面接触时的动力学特征,建立了地形估计的数学模型,设计了3+3步态的运动规划优化器,该运动规划优化器依赖于在线ZMP优化,不断更新浮动基和轮腿部的参考轨迹。在考虑由轮子引入的非完整约束情况下,采用分层的全身控制器对优化后的运动规划进行跟踪。以提高控制的有效性和鲁棒性为出发点,龙骧机器人的腿式运动遵循生物学启发的分层控制方法,建立了最优反馈控制策略。最后,为了验证上述理论和方法,制作了试验样机,分析了龙骧机器人在实验中获得的数据和结果。一是比较两种腿部装配方式的运动稳定性,选择了轮在腿中部的机器人进行测试。二是开展了室内斜坡运动试验,验证了斜坡稳定的合理性,而功耗分析和续航能力试验测试了机器人的整体性能和续航散热能力。三是基本运动试验验证了纵向和横向运动的姿态稳定性和运动性能,也验证了步行和轮式运动控制的有效性。四是通过室外微崎岖地形试验,验证了控制方法的综合效用。

关键词： 两栖混合驱动机器人   水动力   流场分析  

摘要： 为了实现足翼混合驱动两栖机器人水中高效、稳定浮游,开展了仿生水翼水动力分析与试验研究.首先针对非常规翼型的三维水翼进行结构简化,采用数值方法建立了单翼拍动水动力学模型,基于该模型分析了拍动周期、拍动幅值和拍动相位差等参数对水翼推进性能的影响;然后采用切片法,从翼尖轨迹特征、翼面压力分布以及尾涡脱落等角度,阐述了水翼水动力的产生机理;最后通过单翼水池试验,验证了所建立动力学模型的正确性.通过研究发现,水翼采用两自由度耦合拍动,摇翼和上下拍翼拍动相位差为1/4周期时,平均推力和平均升力达到最大;摇翼和上下拍翼拍动相位差为1/8周期时,推进效率最高;推进效率随拍动幅值增大而减小.

关键词： 机器人动力学   视觉伺服   参数辨识   遗传算法   滑模控制  

摘要： 机器人智能化是机器人控制系统研究中的重要课题。作为机器人智能化的两种基本方案,动力学控制可以提升机器人环境交互能力,视觉伺服可以提升机器人环境感知能力。本文将两者相结合,研究基于机器人动力学模型的视觉伺服控制,旨在兼顾机器人环境感知与交互能力,提高机器人视觉伺服性能。在机器人动力学控制方面,首先要研究机器人运动学与动力学建模,建立机器人动力学模型。本文以埃夫特工业机器人ER3A-C60为研究对象,通过DH方法与矢量积法建立机器人运动学与微分运动学模型,得到机器人关节雅可比矩阵;通过拉格朗日方法与牛顿欧拉方法建立机器人动力学模型。机器人动力学模型已知而参数未知的情况下,进一步研究参数辨识方法并进行参数辨识实验,可以得到动力学模型中未知参数的估计值。本文首先总结常用的机器人动力学参数辨识方法,从中选取遗传算法作为激励轨迹优化与参数辨识的方法;之后设计并运行激励轨迹以采集实验数据;最后根据滤波处理后的实验数据使用遗传算法辨识出未知动力学参数,进而验证辨识结果准确性。结合已知机器人动力学模型与参数辨识值,研究动力学控制方法并设计动力学控制系统可以实现机器人的动力学控制。对控制系统的最基本要求是能使输出趋于期望值并稳定,在此基础上要求抑制扰动,进一步地要求可以调节参数以优化模型。按此递进思路,本文分别研究了PID控制、滑模控制、滑模边界层控制与滑模自适应控制,通过仿真与实物实验验证了动力学控制系统的稳定性。在机器人视觉伺服方面,首先从视觉伺服系统建模出发,建立机器人视觉伺服系统模型。本文以通用形式的机器人视觉伺服系统为研究对象,分析相机成像模型,得到相机内外参数矩阵;根据目标与相机之间的相对运动关系,推导交互矩阵与图像雅可比矩阵;在相机模型与图像雅可比矩阵的基础上对视觉伺服系统由浅入深逐步分析,参考机器人视觉伺服传统模型设计了基于机器人动力学模型的视觉伺服系统。最后,本文对基于机器人动力学模型的视觉伺服系统进行仿真与实物验证。将设计的视觉伺服系统与实验验证可行的机器人动力学控制器结合,实现基于机器人动力学模型的视觉伺服控制,并将其结果与基于运动学的视觉伺服相对比,验证了算法的可行性。实验结果说明,动力学控制系统与基于动力学模型的视觉伺服控制系统在实际机器人上具有良好可靠性,满足机器人控制精度要求,具备进一步研究的学术价值。

关键词： 履带式爬壁机器人   吸附装置   计算流体力学   优化设计   遗传算法  

摘要： 近年来,随着我国科学技术和经济实力的迅猛发展,我国基础设施的建设也迎来了新的发展高峰,高层建筑、核能发电、水陆交通运输以及石油化工等领域对竖直壁面作业以及高空作业的需求日益增加。爬壁机器人作为一种可以在倾斜或者垂直壁面上爬行并完成自主作业的自动化机器人,通过搭载不同传感器以及不同的工作装置来实现壁面清洁、裂缝监测、核辐射检测以及灾害搜救等高空高风险功能。其中负压吸附爬壁机器人由于不受工作壁面的限制,可以在任何壁面工作,有着广泛的发展前景。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,对负压吸附式爬壁机器人吸附装置进行了理论和试验研究。首先分析了各种吸附式爬壁机器人的适用范围以及优缺点,综述了负压吸附式爬壁机器人以及相关技术的国内外研究现状。介绍了负压吸附式爬壁机器人吸附装置的组成,分析了吸附装置内部流体运动以及受力情况,推导了吸附装置负压值的计算公式,计算了履带式爬壁机器人在静止状态和运动状态下所需要的最小吸附压力,给出了叶轮的主要设计原则和设计方法。设计并制造了一款履带式爬壁机器人样机,通过样机的性能试验探究了在静止状态下,壁面类型、机器人位姿、负压腔形状以及密封边类型对吸附性能的影响;探究了在运动状态下,位姿对爬壁机器人吸附性能的影响,搭建了一套负压反馈控制算法,实现了爬壁机器人负压值的反馈控制。介绍了吸附装置CFD仿真的主要过程,并将吸附装置CFD仿真结果与试验结果进行了对比,证明了仿真结果的正确性;以CFD仿真为基础,探究了叶轮参数对吸附装置负压值的影响,通过克里金模型建立了叶轮参数和负压值之间的非线性函数关系,使用遗传算法对叶轮参数进行了优化,优化后的吸附装置负压值显著提高,通过试验证明了优化结果的正确性。本文对履带式爬壁机器人负压吸附装置流体动力学仿真及叶片参数优化的理论和试验研究结果,为此类机器人负压吸附装置的设计提供了参考。

关键词： 底座力传感器   机器人动力学   碰撞检测   拖动示教  

摘要： 随着人们生活品质的不断提高,消费者的个性化需求日益强烈,制造业面临着转型升级,向小批量、灵活化的生产方式发展。部署灵活、操作简单的协作机器人是这些产业快速实现自动化的绝佳选择,因此协作机器人在近年来发展迅猛。灵活性、易用性与安全性作为协作机器人的核心竞争力,主要体现在机器人的拖动示教与碰撞检测应用上。本课题针对这两项关键应用进行研究,提出了一种基于底座力传感器的方式来实现高精度的碰撞检测与灵活的拖动示教,该方案的思路是首先基于机器人动力学模型完成外力观测,继而对外力做出恰当地响应。由于机器人的动力学模型通常是未知的,需要通过辨识来获得,故本文将围绕动力学建模、动力学辨识、外力观测、外力响应四个方面来开展工作。本研究首先提出了串联机器人动力学模型建立方法,给出了机器人关节线性动力学模型与底座线性动力学模型,并分别给出了机器人最大可辨识动力学参数集的数值分析方法与解析分析方法,为后续的动力学模型辨识奠定了基础。接着,提出了利用底座力信息与关节力矩信息融合的方式辨识机器人完整动力学参数,相较于传统的纯关节力矩辨识方法,能够获得更准确的关节连杆动力学参数与更适合的关节摩擦力模型。辨识过程中还提出了利用机器人自身运动对力传感器耦合系数进行辨识并补偿的方法,以削弱力传感器耦合对辨识结果的不利影响。仿真与实验表明,本研究提出的动力学建模与辨识方法能够准确地辨识出机器人的动力学参数,为后续外力观测奠定了基础。基于辨识得的机器人动力学模型,本研究构建了底座力观测器与广义动量观测器,能够准确地观测作用外力大小,并粗略地观测外力作用位置。观测信息被有效地应用于协作机器人的拖动示教中,实现了工作空间的全臂拖动示教。本研究还提出一种基于力频率的示教导纳参数自适应调节算法,实现了拖动示教失稳快速抑制。观测信息也被有效地应用于协作机器人的碰撞检测中,实现了高精度的全臂碰撞检测。实验结果表明,所提出的外力观测方法与外力响应策略具有良好的人机交互效果,增强了协作机器人的易用性与安全性。

关键词： 阿西莫夫   人工智能   机器人学三法则  

摘要： 一想到电脑,人们就会怀疑它们是否能“接管”。它们是否会取代我们,是否会使我们过时?它们会像我们淘汰长矛和火绒盒一样淘汰我们吗?如果我们把类似电脑的大脑想象成我们称之为机器人的金属仿制品,那么恐惧就更直接了。机器人看起来太像人类了,它们的外表可能会给它们带来叛逆的想法。这个问题在1920年和1930年的科幻小说中出现过。其中很多都是关于机器人的警世故事,这些机器人被制造出来,然后攻击它们的创造者,将他们摧毁。