狭长空间内重载调姿装配机器人的设计与研究

针对舱体类狭长空间内部待安装设备种类多、批量大、载荷重、空间余量微小、装配路径复杂、装配风险高等问题,设计了一种重载调姿装配机器人。在机器人运动学研究的基础上,建立了误差模型,并以最小包围球半径为约束条件,通过遗传算法将误差参数的辨识结果补偿到机器人控制系统。以机柜装配为例,针对空间约束条件规划工作路径,基于动力学约束能耗函数模型,以时间、冲击和能耗为优化目标,得到多目标最优轨迹。样机实验验证了误差参数辨识的有效性,减小了机器人的绝对定位误差,且多目标最优轨迹的关节总冲击小、运动平稳,实现了机柜类设备高效、平稳、可靠的安装。

新型四足并联军用机器人步态控制算法及仿真

在多关节步行机器人控制策略中,全部采用中央模式(CPG)网络进行控制的方法具有参数繁多、网络结构复杂的特点;机器人的工作环境通常多变且复杂,对机器人的灵活性和抗干扰能力提出了更高的要求,故仅采用单一的控制模式很难满足上述需求。针对上述问题,在机器人控制上把基于CPG的控制方法和基于虚拟模型的控制方法进行综合,对单腿为3-UPS机构的四足并联军用机器人设计了一种新型步态控制算法,用CPG完成机器人的基础步态,完成输入输出之间的非线性振荡器网络模型的搭建,并将模型的输出与关节电机的驱动力矩构成映射关系;再用虚拟模型生成行走时保持机器人平稳姿态所需要的足端虚拟力,并将足端虚拟力映射为关节驱动力矩。通过V-REP与MATLAB软件对该步态控制算法进行联合仿真实验。仿真结果表明:所提出的步态控制算法有效;新算法的优势在于简化控制网络的同时还能保证机器人在行走过程中拥有较强的灵活性和抗干扰能力,这种新型控制模式为四足并联军用机器人的步态控制提供了新的思路与方法。

3-SRR腿履式调姿救援机器人优化设计与试验

为实现在复杂环境下对处于不同位姿伤员的精准施救及稳定转运,文中提出了一种3-SRR腿履式调姿救援机器人机构,并进行运动学分析、机构优化设计及试验研究。首先,基于闭环矢量法对其进行运动学分析,得到救援机器人运动学反解;然后,基于迭代搜索算法,得到其救援作业空间与姿态空间,并基于单一变量法分析救援机器人机构尺寸参数对救援作业空间的影响;然后,以救援作业空间最大、姿态能力最强为优化目标函数,基于差分进化算法对机构尺寸参数进行优化;最后,研制原理样机并进行调姿能力试验,试验结果证明了方案的可行性与理论分析的正确性,为灾难救援提供一种可行的解决方案。

多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。

基于点球约束的机器人误差建模与参数辨识

自动化装配对于机器人绝对定位精度提出了更高的要求,机器人理论位姿和实际位姿总存在一定的误差,若绝对定位精度过低,容易导致装配过程中零部件之间发生碰撞,严重影响装配机器人的应用与推广。为此,提出了一种基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法:1)通过在机器人末端安装的6维力传感器反馈末端受力情况,控制机器人以多种姿态使标定锥与靶标球球面重合,记录接触时各关节的位置数据;2)以靶标球球体半径为适应度函数,利用遗传算法辨识误差参数,从而建立完整的误差补偿模型。以自主研制的7自由度装配机器人为研究对象,针对装配机器人的结构特点,由正向递推建立机器人的正运动学方程,应用固定关节法与反变换法获得机器人逆运动学方程;建立机器人的运动学误差模型,预设定误差参数与位姿变换矩阵,通过牛顿迭代法获取了关节变量值,利用遗传算法进辨识误差参数,将辨识结果代入运动学模型中进行验证。采用点球式标定方法采集机器人关节数据,应用遗传算法辨识误差参数,将所得参数代入误差模型中进行实验,结果表明,绝对定位精度提升了76.74%,验证了基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法的有效性,为多自由度机器人标定研究提供了有益参考。

基于虚设运动副的并联机器人静态误差建模与标定

基于并联机器人影响系数和虚位移原理,以一般空间并联机器人为例,通过虚设运动副,提出一种并联机器人静态误差建模与分析的通用新方法。该方法用于确定各个原始加工装配误差源对并联机器人末端位姿的独立影响,具有物理意义明确、建模分析便捷等优势。在此基础上,基于虚设运动副建立了3-P(4S)并联机器人各误差映射矩阵,并对该机器人开展了静态误差标定实验研究。实验结果表明,基于该方法标定后,3-P(4S)并联机器人输出定位误差最大值由0.585mm减小到0.142mm,标定后机器人定位精度明显提高,从而验证了该方法的有效性。

冗余驱动并联机器人动力学建模与驱动力协调分配

冗余驱动可有效降低并联机构的最大瞬时驱动力,提高其承载能力,然而驱动力协调分配不当或冗余驱动力控制误差过大不仅使上述功能无法实现,甚至产生过大内力而对机构造成破坏。为此,以冗余驱动6PUS-UPU并联机器人为例,对驱动分支、约束分支和动平台的速度、加速度进行分析,引入偏速度和偏角速度,使用Kane方法建立系统的动力学方程。提出以最小化最大瞬时驱动力为目标,使用加权最小二乘法对驱动力进行协调分配,通过数值算例获得给定运动轨迹情况下各分支驱动力。采用DSP控制器和运动控制器相结合的方式提高驱动力协调分配的实时性,实现对冗余驱动力的控制。实验结果表明:在冗余驱动力作用下,瞬时最大驱动力明显降低,且驱动力分配更加均衡,证明了所提出的驱动力协调分配方法和冗余驱动力控制策略的有效性。

四足并联腿步行机器人动力学

基于模块化和可重构理论,提出一种助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人。该机器人既可组合成两足步行机器人,亦可作为四足步行机器人使用。运用影响系数理论和虚功原理,对四足步行机器人静态步行时的摆动腿和机体机构进行动力学建模,导出摆动腿的动力学方程和机体机构超确定输入下的协调方程,按加权最小二乘法对四足并联腿步行机器人机体机构的动载进行最优协调分配,解决了机器人在行走过程中各分支运动约束而产生的动力耦合问题。

一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法

提出了一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法。基于环路增量法,建立了平面2-DOF冗余驱动并联机器人运动学误差与标定模型;设计了一种标定实验靶板,利用相机采集靶板图像并对其进行分割、识别、旋转补偿的处理,获取机构末端目标位置和实际位置的像素误差值;针对机构自身结构的限制,利用边界曲线识别特征角点,提出了一种基于特征角点确定检测点旋转角度的方法,在补偿相机旋转角度的基础上,再利用简化后的相机针孔模型,将像素误差值通过转换得到机构末端执行器的真实位置误差值;最后利用标定模型和通过视觉系统获取的误差值进行运动学标定。经过4次迭代,机构误差减小为原来的1/3,验证了该方法的可行性。同时该方法具有标定过程用时短、数据量小、实验成本低等优点。

自抗扰手指康复机器人结构及控制系统设计

手是人体最重要的部位之一,老年人由于脑卒中导致手部运动机能下降,给其生活带来了很大不便。为了帮助人们进行手部康复训练,提出了一种新型手指康复机器人,具有结构简单、训练模式多样、性价比高的优点。首先,分析了手指的生物学尺寸、运动特点以及自由度,将手指自由度合理简化,设计出了以带传动为主的机械结构;然后,进行四指运动轨迹规划和动力学分析,并用ADAMS验证了动力学的正确性;最后,针对康复机器人主动训练模式提出一种基于自抗扰控制器的恒压力控制系统,并与传统的比例-积分-微分(PID)控制器做比较,结合仿真分析验证自抗扰控制算法的优越性。

基于视觉定位的机器人上下料系统集成技术

机器人上下料系统通过视觉系统确定板料位置信息,实时引导机器人准确抓料和落料。该系统集成了机器人网络通讯、工业摄像机控制、图像处理以及RTX实时扩展等技术,并针对系统实时性问题提出了行之有效的解决方法。试验结果表明该系统可以灵活准确快速实现上下料,能满足工业现场要求的实时性及可靠性。

基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计

新能源汽车是我国应对节能减排挑战的需要,发展前景巨大。针对新能源汽车车身主要采用铝合金材料,要求加工机床灵巧轻便,整体刚度适中,能够实现复杂曲面的精准成形等需求,提出一种基于RPR/RP平面并联的五自由度混联机器人构型。首先,建立RPR/RP+2R+P五自由度混联机器人基本构型,分析计算混联机器人的自由度,完成五自由度混联机器人的初始样机结构设计。其次,求解并联与混联构型位置的正反解以及速度雅可比。然后,求解五自由度混联机器人的位姿空间;以分支杆驱动力为优化指标,工作空间内机构运转不干涉为约束条件,采用Adams-Matlab联合仿真定量分析各结构参数对分支驱动力的影响,以线性回归算法进行数据拟合,完成初始样机的尺度优化。最后,以混联机器人整机及其关键构件的刚度为优化指标,采用有限元分析的探究方法对五自由度混联机器人初代样机实现递进式的结构调整,对整机进行模态分析以得到机器人振动特性。在满足刚度要求的前提下,采取少分支构型降低制造成本,加工过程可视,为针对轻薄结构件加工的混联机器人设计提供了新思路。

轮式并联调姿机器人冗余控制策略研究

针对大型精密复杂零部件的集成装配,提出一种将全域全向运动与调姿微运动融合于一体的轮式并联调姿机器人。通过共享部分自由度方式将全向运动特征融合于并联机构,解决大范围任意方向移动与小空间内精密调姿高效连续操作的问题;针对轮式并联调姿装备的定平台开放特性与冗余特征,设计基于力位混合的单分支与整体冗余控制策略,选取并优化轮式并联调姿机构的主动输入方式,基于螺旋理论对位置控制轴的选取合理性进行分析,评估2种控制方式在不同的末端姿态域内的性能,得到设备在不同目标姿态时力位混合控制主动输入选取策略。基于ADAMS与Simulink软件搭建环境一致性良好,可控制较强的机电一体化模型,验证轮式并联调姿装备采用力位混合控制策略可行性与设备调姿精度。工程样机实验结果验证了所提出的冗余控制策略能够实现轮式并联调姿机器人功能,保证了调姿精度,为开发具有高可靠性、大尺度、重载荷、高精度同时兼具高精度全向运动和精密调姿功能的高效连续作业特征的6自由度并联调姿、对位、装配智能机器人奠定了理论与实践基础。

基于广义雅可比矩阵的空间并联机器人运动学研究

针对自由漂浮空间并联机器人运动输出部分与载体之间存在运动耦合的问题,提出一种自由漂浮空间并联机器人广义雅可比矩阵的构造方法。基于螺旋理论建立速度映射关系,得到各分支输入速度与上、下平台的运动速度关系,结合动量守恒定律得到出上、下平台的速度运动关系,推导出自由漂浮空间并联机器人的广义雅可比矩阵,以6-SPS并联机构为例,进行数值计算和仿真分析对比,验证广义雅可比矩阵构造方法的正确性,也为自由漂浮空间并联机器人的精确控制奠定了基础。

基于NX MCD的机器人磨削系统虚拟调试

为节省机器人自动化生产系统的调试成本并提高生产安全性,以机器人磨削系统为应用案例,提出一种基于三维仿真平台NX MCD的机器人自动化生产系统虚拟调试方法。在NX MCD中创建机器人磨削系统逻辑模型和机械概念模型来定义机电虚拟模型。在PC端开发RAPID和梯形图程序控制磨削机器人和PLC,实现磨削系统、机器人控制器和PLC控制器的信号实时交互。设计包含ABB应用程序和OPC客户端应用程序的集成控制软件,实现机器人和PLC的联动控制。构建机器人磨削系统虚拟调试平台,在OPC客户端添加机器人关节数据传送模块,NX MCD信号通过OPC通讯技术和数据传送模块实现了与机器人控制信号及PLC控制信号相互映射,在集成控制系统下完成机器人磨削系统的加工仿真。通过对比机器人磨削系统的实际调试情况,验证了基于NX MCD的机器人自动化生产系统虚拟调试方案的有效性。

球面两自由度冗余驱动并联机器人弹性动力学分析

建立了球面2-DOF冗余驱动并联机器人弹性动力学模型。将机器人系统的6个空间弯杆划分为6个子结构,考虑空间弯杆的弯曲、拉伸和扭转变形,基于有限元法求出了各子结构的弹性动力学模型;根据转动副的约束特点以及各分支与输出轴的变形协调约束关系,将子结构组装成3个分支并进行装配,得到系统的弹性动力学模型;将理论计算与有限元仿真得到的机构在初始位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。通过对比分析球面2-DOF非冗余与冗余驱动并联机器人输出端的动态响应,验证了冗余驱动的引入可以明显减小机器人输出端的最大弹性位移。研究结果为含有空间弯杆并联机器人的结构优化设计以及振动分析提供了理论依据。

集中式输入并联机器人机构设计与仿真

针对自动化生产线中具有固定运动轨迹的周期性作业任务需求,提出了一种集中式输入并联机器人机构的设计方法。基于机构运动学反解和集中式传动机构的位移解,建立其输入输出映射关系,结合期望轨迹路径点,拟合得到集中输入曲线。分别设计了集中式输入三分支和六分支并联机器人机构,采用基于最小二乘法的傅里叶级数逼近式曲线拟合方法,求解得到了相应集中输入曲线方程。通过ADAMS和MATLAB联合仿真,验证了该方法的可行性。

产教深度融合下机器人工程专业进阶式实践育人探索

深化产教融合,促进校企合作实践育人是提升创新实践型人才培养的重要举措。燕山大学机器人工程专业构建了以学生为主体、三级项目体系为抓手、能力培养为主线的分层递进多元融合实践育人体系,并逐步形成了以产教融合为特色、涵盖专业认知实习、生产实习、进阶项目和毕业设计的“四位一体”校企合作实践育人模式,对于产教深度融合背景下的人才培养具有借鉴意义。

爬壁机器人发展现状与关键技术研究综述

目的随着爬壁机器人技术的发展,为解决其产品应用化问题,对爬壁机器人的研究进展进行梳理、分析和归纳,讨论未来的发展方向,为设计应用于高危环境和特殊场景的爬壁机器人提供思路和参考。方法将爬壁机器人按移动方式分为履带式、轮式、足式及混合式,通过文献研究法对不同移动方式的爬壁机器人进行综述;将真空吸附、磁吸附、推力吸附等不同吸附方式的爬壁机器人进行对比,介绍了爬壁机器人自适应技术的研究现状及存在问题;总结并分析了爬壁机器人在工业、军事等领域的发展趋势。结论总结了不同移动方式的爬壁机器人的国内外研究现状,分析了爬壁机器人不同吸附方式的优缺点,归纳预测了爬壁机器人的发展方向。