关键词： Stewart并联机器人   逆动力学模型   摩擦力参数辨识   外力估计   力柔顺控制   基于位置的阻抗控制  

摘要： 在中国制造2025和工业4.0的产业政策影响下,智能仓储和自动化物流近年来逐步兴起。可移动式的装配机器人工作空间大、柔性高,更符合现代工厂的应用需求。目前工业装配领域应用较多的都是串联关节式机器人,该类机器人承受负载能力小,仅可以应用于小型和轻型工件的组装。相比于串联机器人,并联机器人具有一些独特的优点,例如并联机器人可以承载较大重量的工件、位置控制精度高、在其末端的工件惯性小。本文以Stewart并联机器人为实验平台,设计了基于动力学前馈补偿的力柔顺控制和基于位置的阻抗控制策略,并完成了控制系统的仿真和实验。本文的主要研究内容为:首先,本文对Stewart并联六自由度平台进行了结构简化并建立了世界坐标系和动坐标系。简单介绍了Stewart平台逆运动学公式的推导过程,给出了平台6个支链的线速度、线加速度、角速度、角加速度的推导公式。本文还对Stewart并联机器人的动平台和6个支链的转动惯量进行了推导,为平台的逆动力学建模做准备。使用Newton-Euler法建立了Stewart平台的逆动力学理论计算模型,利用Matlab和Adams搭建了仿真模型,验证了逆动力学理论模型是正确的。其次,本文研究分析了以电机和滚珠丝杠为一体的伺服运动系统,建立了伺服运动系统的动力学方程。为了实现Stewart并联机器人基于动力学前馈补偿的力柔顺控制,伺服运动系统的摩擦力是不能被忽略的,所以本文建立了基于库仑—粘性的摩擦模型,并通过实验确定了摩擦模型中未知的参数。本文提出了基于动力学模型的外力估计方法,该方法可以让Stewart平台检测到外力作用并估计外力的大小。由于在力矩模式下,机器人的位置控制精度很难保证,所以本文又设计了Stewart平台基于位置的阻抗控制算法。最后,详细介绍了实验平台硬件控制系统的构成,给出了本文研究的Stewart平台的结构参数。利用C++编程语言在Vs2015+Qt5.8的编程环境下,编程设计了软件控制界面、上位机与硬件系统的通信函数以及控制算法函数。在此基础上,完成了Stewart平台基于动力学前馈补偿的力柔顺控制实验和基于位置的阻抗控制实验,对比分析了两种控制方法的实验效果,选择了柔顺控制响应速度快,控制精度更好的控制方法来完成平台的工件装配任务。

关键词： 工业机器人   关节摩擦   激励轨迹   偏差补偿   参数辨识  

摘要： 随着工业自动化技术的不断发展，工业机器人在工业场所中的应用也变得越来越广泛。在保证工作质量与生产效率的基础上，各应用领域对机器人的控制精度要求也在逐渐提高。机器人位置控制要求机器人的各个关节能够准确跟踪连续、时变的期望轨迹，然而多数情况下期望轨迹的速度、加速度曲线都不光滑，轨迹跟踪的难度较大。另一方面机器人在进行装配、抛光、打磨等与环境接触的工作任务时，需要严格控制表面接触力的大小，否则会造成加工工件的损伤。基于动力学模型的控制技术能够显著提高机器人的动态性能以及对轨迹的跟踪精度，而构造基于动力学模型的控制方案离不开精确的机器人动力学模型。采用动力学参数辨识的方法是目前能够获得较为准确的机器人动力学模型的重要途径。本文以六自由度旋转关节机器人为研究对象，以提高机器人的控制精度和动态性能为目的，围绕多关节机械臂及其末端负载的动力学参数辨识展开研究。　　本文首先分析了常用的机器人动力学建模方法，基于MDH法建立了机器人的运动学模型，并考察了机器人动力学分析所必要的关节运动参数。选用Newton-Euler法建立了机械臂及末端负载的动力学模型，对机械臂动力学模型进行线性化处理，并求解机器人的最小动力学参数集;接着，分析了机器人关节摩擦力的作用机理，建立了机器人的关节摩擦力模型;然后选用基于有限傅里叶级数形式的激励轨迹模型，采用遗传算法约束优化得到激励轨迹的系数参数;最后，考虑到机器人系统容易受到噪声信号的干扰，提出了一种机器人动力学参数的无偏估计算法，该算法以最小二乘形式的偏差补偿算法为基础，能够对机器人系统辨识中的偏差项进行补偿，提高动力学参数辨识的精度。

关键词： 机械臂   动力学   PID控制   无模型RBF网络自适应  

摘要： 在实际的生产生活中,机械臂的工作环境较为复杂,高精度和快速的工况则对机械臂的工作精度、工作效率以及安全性产生较高的要求。目前,对机械臂的研究大多聚集在机械臂的运动学以及轨迹规划等方面,研究机械臂关节跟踪精度方面的资料较少。为了解决工业机械臂实际工作中的问题,本文以提高机械臂关节跟踪的精度为目的,同时对工业机械臂进行了动力学特性的研究。本文对六自由度串联机械臂的六个关节进行独立和整体控制,并对其进行控制仿真测试分析,利用李雅普诺夫稳定性判据判断控制系统的稳定性,并通过仿真验证了控制方案的有效性。本文的主要研究内容如下:以六自由度串联机械臂为研究对象,利用修改D-H参数法建立了工业机械臂的运动学模型,使用解析法求出了机械臂的运动学正解和反解,从运动学方面分析了机械臂的特性。利用Spong模型建立了柔性关节的数学模型,在考虑关节柔性的基础上,采用Newton-Euler方法以及Kane方程建立了工业机械臂动力学模型,并完成机械臂的动力学正解和反解验证,从动力学方面分析了机械臂的特性。针对工业机械臂的六个关节,设计关节空间插值曲线进行轨迹规划,并采用独立PID控制器和模糊逻辑PID控制器两种控制方式进行控制,观察两种控制器对各关节的轨迹跟踪控制效果,比较关节的轨迹跟踪精度。采用整体逼近径向基函数(RBF)神经网络自适应控制方案,设计控制律并对工业机械臂进行控制,同时经过Lyapunov方法分析了工业机械臂控制方案的稳定性和收敛性,通过仿真分析证实了本文提出的控制方案可以有效地提高机械臂各关节的轨迹跟踪精度。

关键词： 履带式爬壁机器人   动力学   优化设计   轨迹跟踪控制   模糊-计算力矩法  

摘要： 爬壁机器人是指能够在竖直或倾斜壁面上移动并执行作业任务的自动化机械装置,其主要特点是在保证可靠吸附的同时实现运动和作业,在建筑、交通、石化、核能、消防及造船等许多高空极限作业领域,完成诸如监测、检查、维护和工程施工等危险的工作。从上世纪90年代开始,国内外科学家和工程师研发了多种适用于不同领域的爬壁机器人,其中采用负压吸附方式的履带式爬壁机器人具有适用范围广、运动性能好和承载能力强的优点,具有广阔的应用前景。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,对履带式爬壁机器人的动力学性能及导航控制技术进行了研究。建立了履带式爬壁机器人的动力学模型,分析了爬壁机器人安全工作条件和设计参数对机器人动态性能的影响;提出了吸附装置叶轮的优化设计方法;设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制系统,并基于UWB/INS组合导航进行了轨迹跟踪控制实验研究。首先对国内外爬壁机器人的发展历程和研究现状进行了综述,提出了爬壁机器人现阶段在应用方面存在的问题和面临的挑战。根据爬壁机器人的结构特点和运动特性,分析了吸附系统的受力情况,建立了包含吸附装置、驱动装置和壁面参数的动力学方程。为了验证爬壁机器人动力学模型的准确性,设计并制造了爬壁机器人实验平台,通过比较模型仿真计算结果和实验结果,验证了模型的准确性。基于经过验证的动力学模型,分析了爬壁机器人的安全吸附条件和各项设计参数对机器人壁面行驶动态性能的影响。为了提高机器人吸附装置工作性能,满足其壁面行驶自适应负压控制的任务需求,提出了吸附装置叶轮的优化设计方法。采用计算流体动力学(CFD)仿真方法获得爬壁机器人工作时吸附装置内部流体的运动和受力情况,建立了叶轮设计参数与吸附性能之间关系的克里金模型,使用遗传算法进行优化获得最优设计参数。设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制器,提出了根据机器人的位姿实时调整吸附装置的负压,使机器人在满足安全吸附条件的低能耗状态下跟踪参考轨迹。以爬壁机器人的位置、速度、姿态、负压和参考轨迹作为控制器输入,两侧履带驱动轮和吸附装置风扇的转速为控制器的输出,控制爬壁机器人沿参考轨迹自适应行驶。根据机器人的实际位置、速度、姿态与参考轨迹之间的偏差,基于模糊-计算力矩法计算运动机构的控制量。为了验证所提出的轨迹跟踪控制器的效果,分别针对直线参考轨迹和圆形参考轨迹进行了仿真分析。仿真结果表明所设计的自适应负压轨迹跟踪控制器能够根据机器人的位姿实时调整负压大小,快速、稳定、准确地跟踪参考轨迹。设计了基于UWB/INS组合导航的爬壁机器人轨迹跟踪控制实验平台,分别对多种直线参考轨迹和曲线参考轨迹的跟踪效果进行了实验研究。实验结果表明,所设计的爬壁机器人导航控制系统能够实现爬壁机器人的轨迹跟踪运动,并具有较高的控制精度。综上所述,本文建立了爬壁机器人动力学模型,提出了爬壁机器人的轨迹跟踪控制方法,并通过实验验证了动力学模型的准确性和控制方法的有效性。论文的研究工作为履带式爬壁机器人的设计和控制提供了参考。

关键词： 可重构闭链腿   ANSYS瞬态动力学   柔性体   足端冲击力  

摘要： 以六足机器人的可重构闭链腿为研究对象,完成六足机器人腿部在平坦路面条件下的动态有限元分析,确保机器人腿部的强度与刚度满足要求。首先进行理论分析,得到基本的运动学模型以及腿部受力情况,然后将Solidworks中建立的三维模型导入ADAMS中,得到足端冲击曲线,基于ANSYS瞬态动力学板块对六足机器人腿部进行分析,将腿部板件柔性体化,得到每块板件的最大应力曲线,最后根据受力危险点位置进行结构强化,为腿部结构的工程化设计奠定基础。

关键词： architecture   building design   design technology   kinetic architecture   robotics  

摘要： This study reports and analyzes the first architectural robotics class regularly organized in a professional college in South Korea. The course consists of two modules: (i) design experimentation with kinetic (responsive) building prototyping and (ii) construction automation of a complex building form using an industrial robot arm. Both modules are structured to provide undergraduates with applied knowledge of kinematics and mechanisms. Along with introducing tools and content of robotics learning in architecture, the course development and students' perception of learning progress and intellectual achievement have been systematically assessed by adapting theoretical course analysis models (of Richards and of Kirkpatrick). The results reveal that learning motivation affects self-satisfaction and achievement. This suggests that the background, goals, and methods of teaching robotics engineering need to be carefully coordinated over the entire curricular context of building design education.

关键词： 技能竞赛   岗位技能   课程体系  

摘要： 全国职业院校技能大赛是以"中国制造2025"规划为背景,通过技能竞赛这一平台来促进专业的发展、课程的建设、人才的培养质量,推动岗位技能的提升。对工业机器人技术应用赛项的知识点和技能点进行分析,找出专业建设中课程体系对接技能竞赛存在的问题,从中提炼出专业课程的核心技术,完善专业课程体系,促进专业建设,为企业提供人才保障。

关键词： 国际奥林匹克   学习心得   机器人竞赛   英语文章   反复朗读   警示灯   英文小说   主播  

摘要： 本期主播:金源,湖南长沙县松雅湖中学1809班学生,曾获国际奥林匹克机器人竞赛湖南赛区一等奖,CYECC青少年英语能力展示活动湖南省三等奖。学习心得:反复朗读学过的英语文章,培养语感;多听地道音频,多看英文小说,多渠道学习外国文化,提升听力、口语和阅读水平。克罗斯·斯科特是一名21岁的机械师,来自美国亚利桑那州。1月11日,他在检测车辆时,看到另一辆车停靠在路边,危险警示灯闪烁着。