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： 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： 六自由度机器人   动力学模型辨识   前馈控制   物理约束  

摘要： 机器人系统是弱刚性系统，机器人的高精度控制和高柔顺性控制会涉及到机器人弱刚性系统的动力学建模和控制问题，所以研究如何获取精确的机器人动力学模型意义重大。此外，复杂的机器人控制算法需要一套稳定性好、性能强的控制系统来承载和实现。本文针对上述问题，在机器人动力学模型辨识和控制系统设计两个方面做了如下的工作:　　1）以珞石公司XB6型六自由度机器人为研究对象，确定了机器人的D-H参数并建立机器人的运动学模型;然后建立机器人拉格朗日动力学方程;最后介绍了参数化、非参数化和半参数化法三种不同的机器人动力学模型辨识方法，为后文提出的机器人动力学模型辨识算法提供理论依据。　　2）依据机器人拉格朗日动力学方程，设计了一种基于拉格朗日网络的半参数化机器人动力学模型辨识方法。该方法使用神经网络拟合动力学模型中难以用物理参数表达的部分，使用拉格朗日动力学方程对神经网络施加物理约束，构建拉格朗日网络。然后根据辨识出的动力学模型，使用基于精确动力学模型的前馈控制方法，对机器人实现前馈控制，同时验证机器人动力学模型的准确性。　　3）设计了一套通用的工业机器人控制系统。该系统采用Linux+PreemptRT+IgHEtherCat的方案，实现对机器人关节伺服系统的控制功能。控制系统搭建完成后，分别进行了系统实时性能测试和机器人控制测试，测试结果表明，系统的实时性能够满足机器人控制的要求，EtherCat通信系统性能稳定，实现了对机器人的有效稳定控制。　　4）在Pybullet仿真环境中建立XB6型工业机器人的仿真模型，对机器人动力学模型辨识算法进行了仿真实验，并使用动力学模型前馈控制算法对机器人进行了控制仿真实验。实验结果证明，本文的方法能够准确辨识出机器人的动力学模型。　　5）使用本文设计的机器人控制控制系统采集了机器人运动过程中的数据，进行了机器人半参数化动力学模型的辨识实验。实验结果表明，本文的算法有效辨识出机器人的动力学模型。

关键词： 机器人学  

ISBN: (纸本)9787111671497

摘要： 本书主要介绍机器人学的基本原理及其应用，并反映了国内外机器人学研究和应用的最新进展。全书共8章，主要内容包括机器人学的起源与发展、机器人学的数理基础、机器人运动学的表示与求解、机器人动力学方程、机器人的控制原则和控制方法、机器人传感器、机器人轨迹规划、机器人编程、机器人的研究和应用领域等。

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。

关键词： 柔性非合作航天器   柔性减速刷   消旋策略   关节驱动力矩优化   最优鲁棒控制器  

摘要： 随着世界各国航天器发射数量增加,特别是近二十多年来各类小卫星和微纳卫星的大批量发射入轨,在轨失效航天器数量越来越多。这些废弃航天器不具备可控性,自回收能力不足,将对后续准备发射和在轨运行的航天器产生极大威胁。因此如何清除这些失效航天器已成为航天领域亟待解决的重要问题。失效航天器在行星引力摄动、太阳光压等空间扰动因素的长期作用下,会产生较大的旋转角速度,处于快速自由翻滚状态,而为了对快速自由翻滚航天器进行操控,首先需要解决的就是如何对其进行消旋,使其旋转角速度满足捕获和操控的要求。针对这一问题,本文以空间机器人机械臂自主操控为背景,提出在机械臂末端安装柔性减速刷对失效柔性航天器进行消旋的方案,针对消旋空间机器人的动力学建模、消旋机理与策略以及消旋控制问题进行深入研究。首先,对失稳的柔性航天器进行动力学建模,分析研究其自旋和章动运动特性,为后续消旋机理和策略研究奠定理论基础。通过基于ANCF板壳单元对柔性太阳帆板进行动力学建模,建立翻滚状态柔性航天器的姿态动力学模型,并进而揭示含柔性帆板航天器的旋转运动特性及其角速度衰减规律。同时,由于空间机器人无法直接获取非合作航天器的运动状态信息,需要借助视觉的非接触感知系统对非合作目标运动状态进行观测,基于观测的状态设计消旋控制系统,因此对观测和辨识的精度和实时性均有较高要求。为此,提出一种基于无迹卡尔曼滤波的柔性航天器运动状态估计方法,能够使非合作目标运动状态的估计误差快速收敛。其次,针对空间消旋机器人对自由翻滚柔性航天器的消旋方案,给出了基于柔性减速刷的消旋机理和消旋策略,同时设计了满足空间消旋操控要求的机械臂末端运动轨迹优化规划方法。基于ANCF绳索单元建立机械臂末端柔性减速刷模型,对减速刷的不同触碰方式进行动力学仿真和分析,揭示了柔性刷减速的机理,并给出了合理的消旋策略。基于失效柔性航天器的捕获需求设计了消旋指标体系,优化柔性减速刷的设计参数和消旋策略。在此基础上,基于Lagrange方程建立了七自由度冗余机械臂动力学模型,消旋过程中柔性减速刷与失效航天器发生接触碰撞,将对空间机器人产生碰撞冲击,影响到空间机人的稳定控制,因此基于姿态无扰零空间开展了空间冗余机械臂消旋过程的自运动优化。此外,由于传统的雅可比矩阵伪逆法难以实现优化目标的灵活配置,智能优化算法又存在计算量大、不易稳定收敛等弊端,因此在线稳定实时规划难以实现。针对以上问题,本文基于速度级求逆原理,将机械臂末端在笛卡尔空间下的运动轨迹转换为关节空间下的规划轨迹,提出一种基座反作用力最小的运动轨迹规划方法,采用加权最小范数法优化关节运动速度,基于零空间法优化关节驱动力矩,最终实现了考虑柔性减速刷干扰的机械臂末端最优轨迹规划。最后,针对空间非合作柔性航天器的消旋控制问题,在空间机器人系统动力学模型参数和消旋碰撞冲击干扰不确定等情况下,设计了具有二次型性能指标的增广鲁棒最优控制器。通过仿真表明,该方法能够快速准确跟踪空间机器人柔性毛刷消旋失稳目标过程的规划轨迹,并实现消旋过程能量消耗最优求解。在此基础上,分别针对纯自旋和含章动自由翻滚运动的失效航天器进行消旋控制,验证了柔性非合作航天器运动状态估计、机械臂消旋过程末端运动轨迹规划和空间消旋机器人鲁棒控制等方法的有效性,能够支持空间机器人消旋失稳翻滚目标的需求。

摘要： Can future robots and artificial-intelligence (AI) systems have consciousness and genuinely human intelligence - or even superhu-man intelligence? Is it possible for them to behave ethically? Here we look at these questions from the point of view of philosophy and AI, and argue that these questions are related: Their answer hinges on the fulfillment of the same condition. Starting from an analysis of the concept of consciousness, we argue that the key capacity that computers and robots should possess in order to em- ulate human cognition and (ethical) consciousness is the capacity to learn and apply \coherent webs-of-theories". We conjecture that where classic AI has been, in essence, \data-driven", the greatest leap forward would be \theory-driven" AI. We review prominent work in deep learning and cognitive neuroscience to back up this claim. This paper is an attempt at synthesis between recent work in philosophy, AI and cognitive science. © 2021 Imprint Academic.

关键词： 绳索驱动   康复机器人   ADAMS仿真  

摘要： 近年来,世界人口老龄化问题逐渐显现,老年病发病率也随之增长,其中脑卒中的发病率、致残率及死亡率居高不下。因脑卒中致残的患者主要表现为肢体运动功能障碍。在临床治疗中,常常需要耗费大量的人力、财力及时间改善患者的肢体功能。因而针对这一现实问题,各国学者展开了一系列研究以期利用上肢康复机器人代替传统人工康复训练。本文对上肢康复机器人的发展过程与现状进行了总结。对人体上肢结构以及运动特点进行分析。介绍了人体上肢康复治疗阶段,并制定了与治疗阶段相对应的康复动作轨迹。结合以上内容,对绳索驱动上肢康复机器人进行结构设计,利用绳索驱动的优势,最大限度的减少了机械臂的运动惯性,改进了传统电机直接驱动康复机器人缺乏柔顺性、刚度过大等缺点。基于D-H坐标法建立了绳驱动上肢康复机器人的运动学模型,完成正逆运动学分析求解,利用Matlab机器人工具箱仿真验证了正运动学模型的正确性,进而分析了驱动绳索长度与关节角度之间的关系,并基于制定的三种康复动作轨迹分析了绳索长度的变化规律。基于拉格朗日方程建立了上肢康复机器人的动力学模型。通过插值法在关节设定的角度范围内规划了关节空间中的轨迹,并将该轨迹作为动力学的算例,计算关节力矩;然后在ADAMS中建立动力学仿真模型,设置合理的仿真参数,利用关节角度函数驱动关节运动,得到的仿真力矩结果与理论计算数据相符,验证了动力学模型的正确性;最后通过优化的方法分析求解了绳索拉力,绳索拉力结果满足约束条件,且拉力变化平滑,实验结果表明本文设计的上肢康复机器人能够满足算例动作的训练需求,具有良好的应用价值,并为后续的绳索选型奠定了一定的理论基础。本研究为上肢康复机器人的设计提供一种新的思路,利用绳索的特性,使得上肢康复机器人的训练运动具有一定的柔顺性,同时也为解决电机驱动刚性过大的类似问题提供了一种新思路。

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。