关键词： 空间飞网机器人系统   质量集中法   RBF神经网络   非线性Hertz碰撞  

摘要： 随着航天活动日益频繁,太空垃圾问题愈发严重,为了保证重要航天器的安全在轨运行并维护良好的太空环境,亟需对太空非合作目标进行主动清除。柔性绳网由于结构简单、捕获范围广、成功率高等优点而具有很好的应用前景。本文以太空垃圾清理为背景,研究了空间飞网机器人系统捕获动力学与稳定控制,对太空垃圾的主动清除的技术发展具有重要意义。主要研究内容如下:(1)空间飞网机器人系统的动力学建模。经过与传统绳网构型对比分析确定空间飞网机器人系统作为捕获方式,利用质量集中法建立空间飞网机器人系统的动力学模型,研究了绳网节点离散数目对仿真结果的影响,根据仿真结果得出在释放和逼近阶段采用系绳间不加虚拟节点的离散方式,碰撞捕获阶段采用添加一个虚拟节点的离散方式。(2)空间飞网机器人系统网型改进和释放特性分析。针对系统在释放阶段绳网折叠方式的选择问题,利用折纸理论给出“星星式”和“方块式”的具体折叠过程。针对传统绳网存在的缺点,提出“多系绳”绳网构型。对“星星式”和“方块式”折叠绳网无控释放和有控释放进行仿真,最终确定空间飞网机器人系统采用“星星式”的折叠方式。(3)空间飞网机器人系统逼近控制方法研究。针对系统在逼近过程中绳网的网型保持问题,将机动单元视为被控对象,节点间的作用力视为干扰力,设计了被控对象状态完全已知的滑模控制器,通过仿真发现系统的输入过大,超出执行机构的物理限制,因此考虑执行机构饱和约束,引入辅助系统,设计了输入受限的滑模控制器。接着考虑被控对象速度测量故障,采用观测器对速度进行估计,设计了状态缺失和输入受限的控制器。进一步考虑系统参数和干扰上界的不确定性,基于RBF神经网络设计了输入受限下的RBF神经网络控制器。通过仿真验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。(4)空间飞网机器人系统的碰撞过程分析。针对捕获阶段绳网和捕获目标的碰撞问题,利用非线性Hertz碰撞理论建立系统和捕获目标的碰撞动力学模型,给出了具体的碰撞检测方法和检测流程,通过仿真研究了绳网和捕获目标在不同尺寸比例下的捕获效果。

关键词： 管道机器人   冲击碰撞   聚氨酯密封盘   流固耦合仿真   振动响应  

摘要： 利用管道机器人或管道内检测器等装备进行管道维护检测,是保证油气管道投产与安全运营的重要技术手段。管道机器人在其运行过程中,由于管道内存在凹陷与焊缝等缺陷,难免会与其产生冲击碰撞,这会影响管道机器人的稳定性与内检测作业的效果。因此需要对管道机器人冲击凹陷过程进行分析,为管道机器人稳定运行提供正确的设计和运行参数以及理论基础。本文以管道机器人通过凹陷这种外部障碍的过程为例,对管道机器人进行受力分析,建立运动受力模型。基于Lu Gre耦合摩擦模型,研究驱动力和摩擦力的影响因素。选用Kelvin弹簧阻尼模型来近似聚氨酯密封盘,模拟管道机器人在实际工况中发生的压缩、弯曲等形变特征,详细推导了管道机器人径向振动方程,建立Adams动力学仿真模型。对Adams模型施加特定的驱动力函数,完成管道机器人冲击凹陷的动力学仿真分析。建立微元管段流体模型,推导流体的连续性和动量方程,利用特征线法进行求解;编写流体方程求解程序,建立Adams与Simulink流固耦合仿真模型,揭示外部障碍激励下,流体驱动管道机器人工艺设计和运行参数变化时动力学行为的变化情况。建立多密封盘管道机器人动力学模型,推导了密封盘刚度特性不同时的轴向振动方程,分析了多密封盘管道机器人运行参数变化时冲击凹陷的振动响应。研究结果表明:运行过程中凹陷和环焊缝对管道机器人产生了激扰作用,引起了管道机器人的振动,幅值的变化较稳定运行状态相差数十倍,极大的影响了管道机器人的正常运行状态。前后密封盘通过凹陷时的振动能量高于管道机器人在平整管段的振动能量,基于这一变化,可以识别管内不同的凹陷及障碍,实现管道机器人的精准定位。

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： 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： 多自由度机器人   动力学模型   最小惯性参数   参数辨识   轨迹规划  

摘要： 机器人广泛运用于航天、工业、医疗及服务领域,空间机器人与地面机器人的最大差异在于重力环境,但动力学本质相同。动力学模型是机器人前馈控制的基础,而精确动力学参数的获取是动力学问题的难点。本文从工业运用角度建立了一套机器人动力学参数辨识系统。基于拉格朗日方程与牛顿-欧拉公式两种方法建立了机器人动力学模型。针对高自由度模型难以获得符号解的问题,采用非符号的数值方法获得了动力学快速运算模型。在牛顿-欧拉公式的基础上解耦获得线性化动力学模型,并验证了模型的正确。根据观测矩阵的结构推导了最小惯性参数的理论,并采用QR分解的方法获取最小惯性参数。采用库伦摩擦与粘性摩擦相结合的方式作为摩擦力模型,并加入到机器人动力学模型。根据最小二乘法的原理推导了最小惯性参数的辨识模型,并建立了完整的参数辨识系统。以傅里叶级数作为激励轨迹模型,根据机器人的运动范围及边界条件,采用遗传算法求解最优轨迹,获得了参数辨识的轨迹函数,实现了仿真与实验中的最小惯性参数辨识。采用Adams建立动力学仿真模型,辨识得到了与理论一致的最小惯性参数,并在扭矩结果中加入随机噪声,模拟了滤波过程,求解到精度较高的惯性参数,验证了辨识系统的可行性及抗干扰性。以500kg六自由度机器人系统为实验平台,通过建立该机器人的平衡缸模型,修正了第二关节的扭矩。采用了三种方法验证辨识得到的惯性参数,结合实验误差分析,验证了机器人动力学参数辨识系统的有效性。

关键词： 水下机器人   水动力系数   运动控制   改进遗传算法   改进BP神经网络  

摘要： 随着陆地资源不断减少,人们逐渐把探测资源的重心移至海洋。水下机器人由于其较低的研发成本、较好的控制性以及易于携带等优点,逐渐成为海洋资源探测的重要手段之一,也在其他领域具有十分广泛的应用前景。为了保证水下机器人在工作时有着优良的控制性能,水下机器人的运动控制算法必须具备高效、鲁棒性强等性能。本文以水下机器人控制性能的提升为目标,采用计算流体力学方法获取水下机器人的水动力系数,提出并设计信赖域反射-遗传算法的控制策略,基于改进BP神经网络拟合推力损失曲线,并设计信赖域反射-遗传算法完成推力分配。首先,建立了水下机器人的动力学模型,通过仿真实验获取了机器人的水动力系数。建立了固定坐标系和运动坐标系,并通过水下机器人工作状态下的受力分析,建立了水动力学模型。基于控制精度与计算效率的双重约束对有缆遥控式水下机器人的模型进行简化,利用ICEM进行网格划分,并导入Fluent开展流体仿真。将水下机器人的运动分为水平面运动和垂直面运动两类进行仿真,获得机器人的水动力系数。其次,首次提出了基于信赖域反射-遗传算法的水下机器人运动控制算法。针对水下机器人运动控制需求简化运动方程,利用信赖域反射算法求解初始种群中的精英种群,设计自适应变异、交叉算子,改进精英种群、普通种群的变异、交叉策略。通过对比信赖域反射-遗传算法、传统遗传算法、粒子群算法求解推进系统合推力的结果,验证了所提信赖域反射-遗传算法的有效性与适用性。最后,本文利用改进BP神经网络拟合推进器的推力损失曲线,在此基础上基于信赖域反射-遗传算法对推进系统的合推力、合推力矩进行推力分配,利用MATLAB研究了各推进器推力与偏差距离、角度之间的影响规律。通过设定不同的初始偏差距离和角度开展仿真实验,得出水下机器人位移、角位移随时间的变化规律。研究结果表明,所提推力分配方法对于该水下机器人的运动控制性能具有良好适用性。

关键词： SCARA机器人   动力学   参数辨识   神经网络   轨迹跟踪  

摘要： SCARA机器人具有结构紧凑、工作空间大、操作灵活、重复定位精度和性价比高等优点,已广泛应用于塑料、汽车、电子、药品和食品等工业领域。然而,SCARA机器人是一个多变量、强耦合的非线性系统,为提高SCARA机器人的控制和轨迹跟踪精度,对机器人的动力学参数辨识和轨迹控制算法进行深入研究,具有重要的理论意义和实际价值。本文以SCARA机器人为研究对象,基于机器人运动学、动力学理论,建立SCARA机器人动力学数学模型,提出随机权重粒子群算法的机器人动力学参数辨识方法并编写了相应程序。在此基础上,设计一种滑模鲁棒项神经网络自适应机器人轨迹跟踪控制器并进行试验验证。本文的主要研究内容如下:（1）SCARA机器人系统运动学数学建模。分析SCARA机器人关节与连杆在空间中的坐标变换关系,建立SCARA机器人运动学模型,并对SCARA机器人进行运动学模拟实验,验证所建运动学模型的合理性。（2）SCARA机器人系统动力学模型的参数辨识。基于负载对各关节力矩影响分析,对SCARA机器人进行了结构简化,利用Lagrange法建立带负载机器人的动力学数学模型,确定了需要辨识的机器人末端动力学参数。提出一种随机权重粒子群算法对机器人动力学参数进行辨识,并编写相应的程序。结果表明,随机权重粒子群算法的收敛速度与参数粒子搜索范围得到明显提升,辨识出的机器人力矩曲线与实际输出力矩曲线基本吻合,说明该算法对机器人模型动力学参数的辨识有较高的精确性。（3）SCARA机器人的轨迹跟踪控制方法。分析SCARA机器人实际工作过程中轨迹控制的外界干扰问题,提出一种基于滑模鲁棒项神经网络自适应算法对机器人进行轨迹跟踪控制,设计SCARA机器人轨迹跟踪实验验证该控制器的跟踪精度和稳定性。结果表明,SCARA机器人关节1、2的轨迹跟踪最大误差分别减小了92.6%和95.5%,跟踪误差均方根分别减小了22.64%和31.79%。有效验证了该算法即可以保证SCARA机器人在轨迹跟踪时具有较高的跟踪精度,又可以补偿相应的干扰。

关键词： 人工智能教育   机器人竞赛   创客教育   创客实验室   玉林市  

摘要： 玉林市玉州区旺瑶小学建于1950年,现又名玉州区东环小学(万昌校区)。2016年12月旺瑶小学迁入新址,由原来占地面积不足10亩的小校园变身为占地面积29.35亩的新校园。近三年来,学校师生齐心协力,不断开创办学新局面,

关键词： 手术器械   丝传动   张力传递   蠕变特性   机器人辅助微创手术  

摘要： 微创手术由于其对人体创口小、术后恢复时间快等优点,被广泛应用到外科手术中。随着机器人技术的快速发展,将机器人技术与辅助微创手术结合,机器人辅助微创手术(RMIS)应运而生。机器人辅助微创手术系统的末端执行器是手术器械,多自由手术器械使医生手术时更加灵活。为满足微创手术术式要求,手术器械轴向长度一般不低于400mm,径向尺寸一般不超过10mm,目前手术器械较多采用钢丝绳传动。丝传动的应用有利于实现手术器械轻量化设计、提高传动精度,有效提高了手术器械的功能与性能,但其特殊布局形式、负载下的钢丝绳柔性体特性、传动过程中的张力损失、工作时的高安全性及高精确性的要求为手术器械带来诸多实际应用上的难题。因此,本文对手术器械的丝传动系统的运动与力的关系进行研究,以保证手术器械末端执行器运动的精确性,具体研究内容如下:基于手术器械在人体内的工作环境、工作空间及传动精确等要求,通过比较几种远距离传动方式、丝传动构型,确定手术器械的传动系统为开环构型的丝传动系统。分析丝传动系统中滑轮轮槽形状、尺寸及钢丝绳通过滑轮的偏角的作用机理,以钢丝绳磨损最小为准则,给出了滑轮轮槽形状及尺寸、滑轮偏角的选取建议。最后通过对丝传动系统的仿真建模,分析了系统预紧力与摩擦力的关系,给出丝传动系统预紧力的选取建议。进行了钢丝绳经过导轮前后的张力比研究。根据手术器械结构特点,引入导轮与钢丝绳半径比表征钢丝绳的弯曲刚度,通过对钢丝绳与导轮接触区域与非接触区域的受力分析,得到钢丝绳经导轮导向前后的张力比计算公式。设计实验验证了应用张力比公式计算所得张力与力传感器测量所得张力较吻合。最后根据所得张力比计算公式,分析了手术器械结构参数(半径比、钢丝绳直径、包角及摩擦系数)对钢丝绳张力变化的影响,可为手术器械结构设计提供理论指导。为提高手术器械安全性及精确性,基于上一章所得的张力比公式,结合手术器械丝传动系统的结构,以弹性虎克定律为基础,建立手术器械丝传动系统的张力-位移模型,通过该模型可计算出手术器械末端小爪的输出位移及输出力矩,从而得到手术器械末端右小爪偏摆运动时的传动系统迟滞角度。最后,编写丝传动系统控制策略,利用该策略可将补偿传递系统迟滞误差,提高传动精度。进行了手术器械丝传动系统钢丝绳的蠕变特性研究。基于钢丝绳的粘弹性特性及线性特性,通过对线性粘弹性材料Maxwell模型、Kelvin模型及Burgers模型三种力学模型的分析,在Burgers模型的基础上提出新的五元素模型,根据手术器械在进行机器人辅助微创手术时丝传动系统的不同工作阶段,给出每个阶段的钢丝绳蠕变模型。设计实验测量钢丝绳的蠕变,并确定模型中的未知参数。

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。