关键词： 仿潜水员机器人   静力学分析   水动力分析   CFD仿真   PID控制策略  

摘要： 人类赖以生存的地表资源自20世纪以来逐年减少，而海洋孕育着丰富的不可再生资源。世界表面的七成被海洋所覆盖，对于海洋资源的勘探以及采取成为了世界共同瞩目的话题。由于在水下时的情况复杂且难以预料，潜水员在水下作业时的风险极大并在很大程度上对身体造成难以修复的损伤，因此本文提出研制一款代替潜水员进行水下作业的仿潜水员机器人。本文完成的具体工作如下：　　首先，通过对课题研究背景及意义的基础上，对仿生型及仿人型机器人的发展现状进行了综述。并提出研制一种能够代替潜水员进行水下作业的仿潜水员机器人。根据对潜水员水下作业时的游动状态以及游动方式的分析，确定了机器人的游动姿态及关节构件的摆动规律，按照人体比例制定了本文设计指标。在此基础上通过机械结构分别对机器人头部机构、转向机构及关节摆动机构进行了结构设计并对其各部分相关参数进行了计算设计。根据机体设计结果结合受力分析对重要部件驱动元件进行了参数计算及选型。　　其次，基于总体结构设计结果，对关键部件的强度进行了分析校核并验证其是否能够满足在水下作业时保证机体运行的平稳性。利用AnsysWorkbench对关键部件的变形量进行了仿真，并与理论强度分析进行了对比，保证其各部件能够满足在水下运动时的使用条件。根据先前对于潜水员游动方式及关节摆动规律，建立了运动学及水动力学模型。通过流体力学法对机器人游动时的状态进行了仿真，并对先前所制定的游动方式进行了横向对比，通过动力源脚蹼的形状进行横向对比完成了机器人在不同状况下的游动方式分析。　　再次，对机器人腔体内部的控制系统进行了搭建以及控制系统中的重要元件的选型，并设计了基于Labview软件的上位机实现与控制系统的通讯及控制。针对先前对驱动元件的选型建立了电机的传递函数;将函数通过数值仿真软件对基于普通PID与模糊PID的控制方法进行了仿真对比其在不同系统下的综合性能，为电机控制理论提供依据。　　最后，通过对实验样机的搭建，对先前进行的理论分析研究进行了实验验证;通过转向机构运动测试以及电机转速实验数据与仿真结果的对比，验证了其设计能够满足本课题的使用要求。通过水下游动测试的实验数据与自主游动仿真分析两者之间的结果进行了对比，利用格拉布斯准则[54,73]对实验数据中的粗大误差进行了判别，通过对实验数据的整合分析误差产生的原因;并在此基础上通过实验对先前水动力系数进行了验证，使其能够满足本课题下潜运动的要求。

关键词： 工业机器人   前瞻轨迹规划   动力学   调整约束  

摘要： 工业机器人轨迹规划是将路径规划阶段已经确定的路径,插补为一条时间函数曲线的方法。运动学轨迹规划仅仅考虑机器人的运动学限制,这在低速和轻载情况下一般可行,而当机器人运行于高速重载状态下可能会有较大的跟踪误差。现有的动力学轨迹规划相较于运动学轨迹规划考虑了动力学限制,规划结果安全稳定且高效,但算法计算效率低,不能满足工业生产实时性需求。因此,本文提出了一种基于动力学的约束自调整前瞻轨迹规划方法,其既能满足动力学约束要求又具有很好的实时性。机器人动力学模型是动力学控制和规划的基础。鉴于动力学参数未知,由此设计了辨识实验,并使用具有物理可行性限制的优化辨识方法对参数进行了辨识。此外,利用最小二乘法对机器人系统包含的负载进行了其惯性参数的辨识,并将该参数折算到机器人本体,进而得到了完整的机器人动力学模型。虽然基于可达性分析的机器人轨迹规划算法解决了数值积分法鲁棒性差的问题,但是该算法实时性计算效率不佳。由此本文将其改进为小线段连续的轨迹规划,通过选择合适的小线段路径长度,本方法可以满足近似实时性规划的需求。鉴于上述改进方法不能严格满足在线计算的要求,本文提出一种利用机器人动力学方程调整约束的前瞻轨迹规划算法。该方法通过运动学轨迹规划,计算并核验各路径点上机器人关节力矩是否超限;将校正后的关节计算力矩映射至加速度约束,重新计算运动学轨迹规划得到最终结果。最后在仿真和实际环境下辨识了机器人动力学参数,验证了约束自调整前瞻轨迹规划算法。本算法不仅遵守了动力学约束,而且实现了动力学轨迹规划的在线计算。

关键词： 工业机器人   逆运动学   动力学建模   鲸鱼优化算法   参数辨识   组合算法  

摘要： 工业机器人作为先进制造业的关键支撑装备,其是实现智能制造的基础,也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的重要保障。当前国产工业机器人高精度力-位控制系统的发展被运动和力等核心控制技术的缺失所掣肘,对相关问题的研究、方法创新、控制算法实现等迫在眉睫。为此,本文以应用广泛的6R工业机器人(以ABB IRB 4600型机器人为例)为研究对象,对其在运动学与动力学领域存在的关键重难点问题进行了探讨,并结合智能优化算法,探索了新的解决方法。论文的主要研究内容包括:(1)根据标准D–H参数法建立了6R工业机器人的运动学模型,分析了机器人的正运动学方程的建立过程,采用改进后的Monte·Carlor方法模拟了机器人的工作空间,验证了该方法的求解有效性;借助专业数学软件Maple推导了IRB 4600机器人逆运动学的解析求解公式,形成了通用的计算流程;将逆运动学求解问题转化为非线性方程组的求解问题,并以最小化位姿误差为目标结合运动平稳性原则构造了优化目标函数,以线性加权和法设计了算法求解的适应度函数。(2)使用Newton-Euler法在标准D-H坐标系下,梳理了机器人各关节力和力矩的递推关系,从而建立起机器人的动力学模型并实现编程验证;分析了机器人动力学参数的辨识问题,分别得到无摩擦力和考虑摩擦力因素时机器人需要辨识的动力学参数集合;介绍了参数辨识的常用方法,将辨识问题转化为非线性系统的优化问题,以最小化力矩误差为目标构造了算法求解的优化目标函数,并相应设计了适应度函数。(3)针对逆运动学求解存在的多解、精度低及通用性差等问题,提出了一种适用于各类6R工业机器人求逆解的组合优化算法。通过使用混沌映射初始化种群、收敛因子非线性更新、自适应惯性权重及引入模拟退火等4种策略得到了一种改进的鲸鱼优化算法(MSWOA)用于逆运动学问题求解;组合算法将MSWOA算法求解的结果作为初始值,再利用Newton–Raphson数值法快速迭代出满足精度要求的运动学逆解。(4)在MATLAB环境下开展多组机器人运动学及动力学关键问题求解的仿真试验,逆运动学求解试验结果表明:改进后的鲸鱼算法求逆性能得到了较大提升;相比于直接利用鲸鱼算法进行求逆,组合优化算法具有求解速度快、稳定性好、精度高的特点,同时可以解决对奇异点和一般6R机器人的求逆问题,证明了该算法求逆的可行性与有效性。使用PSO算法和WOA算法进行动力学参数辨识试验,分别通过一次性整体辨识与分步多次辨识,经模型验证,结果表明:PSO算法具有更好的求解性能,分步辨识可以得到更准确的动力学参数值,证明了使用优化算法解决参数辨识问题的有效性。

关键词： 四足机器人   动力学建模   牛顿欧拉迭代   空间向量   整体控制  

摘要： 与轮式和履带式移动机器人不同,四足式机器人能更好的适用于各种非结构化地形,具有良好的越障能力,机动性强,具有广泛的应用前景。由于四足机器人自由度高,动力学建模繁杂困难、计算量大,控制算法复杂,难以满足实际使用要求。为此,本文重点围绕四足机器人的动力学建模与控制方法开展研究,主要工作如下:首先在国内外四足机器人常见构型的基础上,提出了一种连杆传动的四足机器人结构方案。在分析传统牛顿欧拉迭代算法的基础上,研究了更高效的基于空间向量的牛顿欧拉迭代算法,并通过融合复合刚体算法,建立了四足机器人逆动力学模型。结合模型预测控制算法、二次规划和整体控制算法,设计一种了基于逆动力学的控制框架。其中,模型预测控制器和二次规划为整体控制器提供预估接触反力;整体控制器实现了任务分级,并利用建立的整体动力学模型完成关节扭矩解算。在开源仿真环境中部署了动力学模型与控制框架,验证了动力学建模的准确性与控制框架的鲁棒性。围绕上述研究研制了四足机器人实验样机。开展了多组足端位置实验和有无整体控制器的行走对比试验,有效验证了控制框架的有效性和鲁棒性。本文所提出的基于空间向量的四足机器人动力学建模方法与控制框架,有效实现了四足机器人动力学建模与鲁棒控制,为四足机器人的动力学建模与控制方法应用提供了重要参考和实验依据。

关键词： 检测机器人   拉索振动   磁流变阻尼器   刚柔耦合   动力学  

摘要： 拉索检测机器人是一种高空作业特种机器人,用来代替检测人员进行斜拉桥拉索表面损伤或内部断丝的检测,降低人工检测风险和成本,提高检测质量和效率。随着斜拉桥建设的跨度越来越大,这种高柔性、超长度的拉索受高空风载和地面移动车辆等因素的作用下容易产生不同形式的振动。本文通过室内振动实验发现,拉索振动在超过一定频率和振幅下,会造成机器人爬升时出现打滑现象,最终影响检测的质量和效率。对于高空检测机器人,如何降低振动对机器人工作稳定性的影响至关重要。本文提出了一种弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构以提高机器人攀爬稳定性,该机构可以应用在以弹簧提供夹紧力的拉索检测机器人或其他绳索攀爬机器人中。文中设计的剪切式磁流变阻尼器,可以使机器人在通过障碍物时产生较小阻尼力的输出,使弹簧快速产生形变通过障碍。文中利用ANSYS软件对阻尼器内部磁场进行仿真分析,得到电流与磁感应强度的关系;利用Sigmoid模型建立阻尼器的力学模型,结合磁流变液的屈服强度得到阻尼器的力学性能,通过振动响应分析本文所设计阻尼器的有效性。为了研究拉索振动对拉索检测机器人爬升稳定性的影响,本文分别建立拉索和检测机器人的动力学模型,并通过设置辅助坐标系建立机器人和拉索系统的刚柔耦合动力学关系。然后利用MATLAB软件进行仿真,分析风载荷作用下拉索振动对机器人作业的影响,以及本文设计的弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构在不同风速、刚度和阻尼条件下的抑振效果。本文搭建弹簧-磁流变阻尼耦合力加载机构测试平台,测试所设计机构的力学性能。模拟斜拉索环境搭建了拉索振动实验平台,对拉索振动情况下检测机器人的爬升稳定性进行实验研究。实验表明,拉索的振幅对机器人爬升稳定性影响较小,而振动频率对机器人爬升的影响较大。

摘要： Computational thinking (CT) has been promoted worldwide by educational systems and is an essential skill for technological citizens. In delivering CT, various kinds of educational tools were developed by researchers to support the learning. One of the attractive tools in providing the CT is educational robotic (ER). However, delivering CT to students through ER has many challenges. There is a lack of studies presenting the general view on the integration of ER and CT as both subjects have big scope in terms of teaching and learning. Thus, this study designed a conceptual data model to represent the relationship between CT and ER. In addition to the complexity in determining the suitability of both subjects for students’ learning, students also have differences in their personal traits, resulting in different learning styles and thinking styles. Therefore, this study aimed to enhance an adaptive learning (AL) model for students, which is based on the students’ learning style and knowledge level. The enhanced AL model comprised three sub-models: domain model, student model, and adaptation model. Two case studies were selected, which are learning advance of CT and the introductory of computational thinking through educational robotic (CTER). At the end of the study, it can be observed that the enhanced AL model produced positive results in performance and perception for various student categories. In learning advanced CT, both groups of students exhibited a positive perception of using the AL model. Nevertheless, the group of students who applied the enhanced AL model outperformed the other group in term of performance. Additionally, in learning CTER, it can be observed that students had a good perception in using enhanced AL model, while the group of students who either applied AL model or did not in learning CTER introduction had a good result towards the learning performance. In conclusion, this study showed that the enhanced AL model could improve learning performa

关键词： 重载机器人   动力学建模   参数辨识   激励轨迹优化   轨迹跟踪控制   滑模变结构控制  

摘要： 本文以华恒500kg重载机器人为研究对象,对机器人进行运动学与动力学建模,在动力学建模的基础上进行重载机器人参数辨识的仿真与实验研究,取得了良好的辨识效果,并开展机器人轨迹跟踪控制研究,分别对基于计算力矩法的滑模控制、基于自适应趋近律的变结构控制进行理论与仿真研究。首先通过DH法与拉格朗日法建立重载机器人的运动学与动力学模型,并结合机器人实际结构修正动力学模型,建立关节摩擦力模型与液气平衡模型,将机器人简化至3自由度以开展后续研究,随后详细研究机器人的仿真模型,分别通过机器人工具箱以及ADAMS、MATLAB软件建立了机器人模型,作为参数辨识与轨迹跟踪控制的仿真实验平台。参数辨识遵循整体辨识法的流程,辨识方法重点研究了在DH坐标系下的参数重组问题与激励轨迹优化问题,首先基于QR分解得到了适用于DH参数的最小惯性参数集,接着利用遗传算法、非线性规划函数fmincon解决轨迹优化问题,通过ADAMS仿真实验,验证了辨识方法的可行性,随后对机器人进行参数辨识实验,获得了有效的最小惯性参数辨识值。文章的最后研究了机器人的轨迹跟踪控制问题,设计了基于计算力矩法的PID+滑模控制策略,在控制律中加入边界层厚度函数,削弱系统的抖振现象,随后进一步提出基于自适应趋近律的PID+变结构控制策略,通过理论分析与联合仿真实验,验证了这两种控制策略的稳定性与有效性。

关键词： 机载机械臂   机器人动力学   自抗扰控制   滑模控制  

摘要： 近些年来,无人机机械臂系统作为无人机技术领域中的研究热点,获得越来越多的关注。无人机机械臂系统极大程度的扩大了机械臂的工作范围,也扩展了无人机的应用领域。本文设计了一套基于小型无人机的多关节机械臂系统,从机载机械臂的系统组成、数学模型、轨迹规划、控制方法展开了深入的研究。本文主要内容概括如下:(1)本文设计的小型无人机多关节机械臂系统主要由涵道无人机、机械臂本体、电池配重机构、无刷直流电机(BLDC)、舵机、传感器和主控器组成。BLDC通过设计的无刷直流电机驱动板进行驱动;主控器为树莓派3B+作为上位机,实现轨迹规划,控制器输出,并实现与驱动电机控制板的通讯。设计了电池配重机构,以补偿机械臂施加于无人机的作用力和力矩。(2)对涵道无人机和多关节机械臂系统进行建模,包括两者各自的运动学、动力学方程以及涵道无人机的气动力学分析。针对组合系统,使用拉格朗日方程建立了本文所研究的涵道无人机平台机械臂系统整体的动力学模型,同时根据求得的模型在MATLAB软件中建立系统仿真模型。(3)针对系统整体的动力学模型,进行自抗扰控制器的设计与仿真。控制器采用扩张状态观测器对系统的内外扰进行估计和补偿,将多变量耦合系统解耦成多个单自由度的二阶串联积分子系统,并对各个控制通道设计误差反馈控制律。(4)面对需要调节的参数太多,难以取得最佳的控制效果,结合自抗扰和滑模控制思想,设计了基于指数趋近律的滑模控制器,通过扩张状态观测器对系统内外扰进行估计并补偿,并对趋近律的参数进行模糊控制,在保证系统快速响应的同时也能抑制系统的抖振现象,提高系统工作性能,同时参数数量的减少也更好地进行工程应用。在MATLAB仿真中对上述控制器的稳定性和准确性以及输出能耗上进行了对比分析,并完成了对机械臂实物的控制器测试。

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： 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。