轮式移动机器人运动控制系统研究与设计

基于差速转向原理,设计了一套轮式移动机器人的运动控制系统。首先选择小车的模型(运动模型),进行运动学和力学分析,得出左右两侧车轮的速度约束,然后设计机器人的运动控制模块和无线遥控模块。运动控制模块可分为控制电路和驱动电路两大模块,控制电路以DSP作为核心控制部件,捕获编码器的信息并产生PWM信号;驱动电路以直流电机H桥集成芯片为驱动部件,接收来自DSP的控制信号。无线遥控模块选用AVR单片机作为控制核心,实现A/D转换和指令发送等功能。实验证明,该系统不仅能实现较长距离的无线控制,传输可靠,而且速度控制准确,车体运动灵活。

基于表面张力的微型水面移动机器人漂浮机构研究

提出一种新型水面移动机器人,该机器人利用表面张力作用使机构漂浮,整体机构较为简单,长60mm、宽50mm、高35mm。对于针对漂浮机构进行了理论分析和实验研究,确定了宏微双重结构的漂浮机构拓扑构型和几何参数,将负载能力提高到了5.73g,为机器人的系统集成奠定了基础。

基于激光跟踪仪的机器人抛光工具系统标定

针对机器人抛光工具系统传统标定方法精度低的问题,提出了一种基于激光跟踪仪的工具系统标定新方法。介绍了机器人抛光系统,并定义了系统的一系列坐标系,为后续的讨论奠定基础。利用激光跟踪仪分别测量机器人法兰盘坐标系位姿和工具坐标系位姿,最终获得两者之间的坐标变换关系。通过试验对机器人抛光工具坐标系进行标定,取得了较好的效果,验证了该理论的有效性和正确性。

面向软体机器人的3D打印硅胶软材料实验研究

基于自主搭建的直接喷墨打印式打印平台,以DC737硅胶为打印材料,分析了挤出系统的力学模型,以确定工艺参数的类型;采用单因素试验确定了适合打印的层厚、打印速度和驱动压力的参数范围;采用正交试验研究了各工艺参数对打印时间、尺寸误差的影响规律,并成功应用到软体机器人的本体打印上。研究结果表明:在一定范围内,打印速度对打印时间的影响最为显著,而对尺寸误差影响最大的是驱动压力,最优工艺参数为层厚0.4 mm、打印速度15 mm/s、驱动压力124110 Pa(18 psi)。使用最优参数组合打印出了软体毛毛虫,并进行了动态性能实验,验证了高效、高精度3D打印软体机器人的可行性。

面向软体机器人的嵌入式3D打印聚二甲基硅氧烷材料实验研究

基于自主搭建的嵌入式直接喷墨打印(DIW)式3D打印系统,对聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料在水凝胶中进行打印,实现了软体机器人复杂内部结构的嵌入式3D打印。对PDMS材料性能进行了详细分析,并对打印过程进行了模拟仿真,从而确定了工艺参数组合;开展了固化拉伸对比实验、单丝圆线打印实验以及圆管打印实验,确定了最优打印参数组合;最后使用所确定的最优参数组合,打印出复杂仿生结构、柔性单向阀和软体抓手并进行相关实验,验证了采用嵌入式3D打印PDMS的方式制造复杂结构软体机器人的可行性。

工业机器人智能化应用关键共性技术综述

"十三五"国家战略性新兴产业发展规划指出:推动基础理论研究和核心技术开发,实现类人神经计算芯片、智能机器人和智能应用系统的产业化,将人工智能新技术嵌入各领域。我国制造业正处于从数字制造向智能制造发展的阶段,工业机器人智能化应用是制造业转型升级的核心技术。首先,通过分析工业机器人在不同行业的应用情况,确定智能化升级的典型技术路线;其次,对涉及的智能感知、位姿估计、柔顺控制及运动规划等技术进行综述分析;最后,以本团队在喷涂、打磨、装配等领域取得的工业机器人智能化应用为案例,分析在人工智能技术与工业机器人应用融合过程中所取得的创新性技术成果,为我国不同行业的智能制造升级提供案例参考和技术指引。

叶片复杂曲面的机器人抛磨工艺规划

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工,对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先,通过平行截面法获得抛磨路径割线,以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着,提取曲线特征参数,根据设定的阈值进行抛磨点规划,再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划,从而得到完整的抛磨路径。然后,将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后,搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明,此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工,测得表面粗糙度分别为0.695~0.930μm和2.803~3.243μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划,使工具和工件保持最大接触,从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。

基于改进人工蜂群算法的并联机器人正运动学解

并联机器人的正运动学问题可转化为等效的最小化问题,并采用数值优化方法求解。人工蜂群算法是模拟采蜜过程中蜂群行为机制的一种启发式搜索方法,目前还尚未在并联机器人正运动学问题中得到应用。提出一种数值求解并联机器人正运动学问题的改进人工蜂群算法(Improved artificial bee colony algorithm,IABC),该方法通过多维度改变蜜源位置,对算法中雇佣蜂采用以DE/rand/1差分操作为主,并兼以遗传算术交叉为辅两种策略相结合搜索方式增强群体多样性,而对旁观蜂则采用DE/best/2差分操作方式在其邻域内搜索到性能更优蜜源位置;此外在旁观蜂选择蜜源阶段采用一种非线性排序选择操作,减弱群体中超级蜜源(个体)引起的早熟问题;基准函数测试表明该方法较大改善了寻优解质量、求解可靠性。在此基础上以6-SPS并联机器人为例,采用IABC算法数值求解其正运动学问题,数值仿真结果表明了该方法是求解并联机器人正运动学问题的一种有效方法。

设施农业喷雾机器人的组合视觉导航方法

温室环境下,针对喷雾机器人在直线路径行驶时会存在偏差,在转弯路径处又需迅速获得导航信息的情况,设计一种导航线和QR码组合的视觉导航算法.在直线行驶路径贴上红色导航线,对采集到的图像处理后获得偏差、偏角进行方向修正,实现直线行驶精准导航.但导航线导航在转弯行驶时存在转弯效率低、偏差大等问题,因此设计QR码导航方法,通过识别贴在转弯处的存储有导航和决策信息的QR码,完成转弯处的迅速精准导航的要求.采集各种工况下导航线和QR码图像各120幅进行算法验证,导航线的平均纠正率为93.33%,QR码平均识别率为92.50%.导航试验结果表明:行驶速度在2.0 m·s^(-1)时,导航线和QR码的最大导航偏差分别为2.0和3.5 cm,满足喷雾机器人导航的实时性和准确性要求.

一种微小表面缺陷的机器视觉检测方法

针对表面缺陷在线自动检测应用的特点,提出一种快速检测微小表面缺陷的新方法.文中分析了Otsu法分割表面梯度图像中微小缺陷的性能,结合分析结果提出利用梯度图像方差分布搜寻表面缺陷区域的算法,在有表面缺陷的局部区域应用0tsu法分割图像.算法性能分析和实验结果表明,该方法可从背景变化不剧烈的表面图像中快速自动检测微小表面缺陷.

基于距离精度的工业机器人标定模型

工业机器人主要有两个性能评价指标:重复定位精度和绝对定位精度。由于制造与安装误差,导致工业机器人定位精度不高,因此,在机器人使用前需要对其进行标定。但在应用传统的方法进行位置误差的标定和补偿时,要涉及到测量系统坐标系与机器人基础坐标系间的变换。由于这一过程很难精确完成,容易引入误差。因此,本文利用距离精度的定义,在修正的5参数DHM(Denavit-Hartenberg Modified)运动学模型的基础上,建立了机器人的距离误差标定模型,该模型可以避免坐标转换带来的误差。基于该模型,利用Matlab软件进行仿真实验。仿真结果显示机器人距离误差标定模型可以明显提高机器人的距离精度,为后续的实验打下基础。

基于柔性解耦梁和显微视觉的精密同轴定位系统

针对偶件装配对同轴度的要求,提出了一种基于柔性解耦梁和显微视觉技术的同轴定位调整系统。为满足同轴度在线调整和轴套的位姿保持,设计了一种"田"字型两自由度柔性解耦梁机构,并结合微动平台和夹具来实现同轴度调整时零件轴的精确定位。根据力学原理,建立了柔性梁的刚度模型,结合有限元法进行仿真分析,确定出梁的结构参数尺寸。对同轴定位调整系统中的显微视觉功能和过程进行了设计,并通过Hough算法实现精密同轴定位的实时检测功能,计算出同轴偏差作为调整的数值依据。大量的同轴定位调整实验显示,同轴度定位精度优于8μm,同时大大提高了装配效率。结果表明,该定位调整系统为器件的装配提供了精确的定位参数,可以准确、高效地实现定位装配。

基于CAN总线的移动机器人超声波测距模块标准化设计

面向当前移动机器人平台模块化及通用接口标准化发展的迫切需求,以TMS320F2812 DSP芯片增强型e CAN为核心,对移动机器人常用的超声波测距模块进行通用标准化CAN口设计。主要包括e CAN标准化接口硬件电路设计及超声波信号处理流程等。试验结果证明,本超声波测距模块标准化接口工作可靠,实时性好,满足控制要求,能与上位机通过CAN总线实现即插即用,已经成功应用于移动机器人控制系统中。

烟台服务机器人产业发展战略构想

知识经济的发展和老龄化社会的到来导致未来社会对服务机器人巨大需求,从而形成了以智能技术等高新技术为代表而集成的服务机器人产业。烟台要建设高端产业集聚区、构建技术创新型城市群、实现从"制造优势"到"设计优势",进而实现"创造优势"的转变,必须从产业升级和技术创新角度入手。提出烟台发展服务机器人产业的必要性,探讨其可行性,并根据地区特点给出其实现服务机器人产业化的途径,最终目标是形成点—链—群三层网络架构的技术创新型城市。

永磁直线交流伺服系统机械环的研究

在永磁直线交流伺服系统中,机械环和电流环的控制周期相同,可以提高系统的运动精度,这就要求机械环的控制频率要大幅度提高,但编码器的分辨率一定,采样频率越高,速度反馈的分辨率将降低,反过来又影响系统控制精度和速度平稳性。基于此问题在在机械环中引入状态观测器,推导了机械状态观测器的方程,解决速度反馈延时滞后对系统精度的影响。对传统的机械环和加入状态观测器进行仿真,结果证明了引入机械环状态观测器可以提高系统的抗干扰能力,从而保证了位置控制精度。

基于振动的微尺度对象操作实验研究

针对真空吸附释放微尺度对象困难的问题,采用真空吸附拾取与基底施加振动的双作用方法来释放微尺度对象,以达到提高释放成功率和释放精度的目的。由理论分析可知,微尺度对象成功释放与摩擦力和黏着力有关。通过实验研究发现:当振动输入信号的频率增加时,振动释放的成功率变化不大,而其释放精度增加;当振动输入信号的幅值增加时,振动释放的成功率增加,释放精度也相应提高;当微尺度对象的直径减小时,振动释放的成功率降低,释放精度也相应降低。从而证明,振动输入信号的频率、幅值以及微尺度对象尺寸的变化与振动释放的成功率和精度密切相关。

基于事件的机器人主-被动混合力-位控制方法

机器人系统螺丝锁付过程中实际接触力难以精确获得;若采用力传感信号来检测接触力并加以控制,力传感器不易安装,且传感器噪声和信号传输延迟都会对控制的精确性产生影响,使得系统不可控。本文采集伺服电机转矩值经过换算得到末端锁付头与工件的接触力,来替代直接采用力传感器信号反馈末端执行器的接触力。以螺丝锁付过程中期望的锁止扭矩作为阈值,并通过能量均衡器对预测力值和当前解算力值进行能量校正,使锁付机器人控制系统保持无源性且具备主动柔顺的能力,来达到系统的安全性。针对一种精密塑胶件自动化锁付,本文设计实现一种被动柔顺机构,并结合基于事件的力位混合控制策略,验证机器人锁付过程中主-被动力-位混合控制的安全性和可行性。

有限元和拓扑联合优化方法及其在机器人结构轻量化设计中的应用

针对协作机器人轻量化和动态特性的问题,本文提出了一种联合整体有限元分析和局部拓扑优化的机器人轻量化方法,并将其应用于设计一款六自由度协作机器人。该方法通过对整体进行有限元分析得到要优化部件的载荷及边界条件,从而基于上述条件对该部件进行拓扑优化,得到优化结构。优化结果表明优化后结构相对于初始结构整体减重4.83 kg,仿真结果为末端位移减小至2.57 mm,实测为2.88 mm,均达到目标要求,同时将整机六阶固有频率提高11.30%左右,高于当前文献所采用的拓扑优化所提高的1.69%。最后面向交叉韧带定位实验证明了该方法的有效性。

自重构清洁机器人及其装配平台设计

智能清洁机器人的出现,解决了都市人群由于生活节奏快而没有时间清洁居室地面的问题,但目前市场上现有的清洁机器人存在移动平台重复、成本较高和占用空间大等问题。针对上述问题,本文提出了一种自重构清洁机器人及其装配平台设计方法,利用分块式设计思想,提出了功能模块可分离式的清洁机器人结构,并提出全自动模块更换平台设计方法以实现移动机器人功能模块自重构的功能。最终得到一个具有自重构功能的清洁机器人机械系统设计框架,从而实现了利用同一个移动平台实现多种清洁功能的目的,降低制造成本以及节约空间。

压电驱动水下微距调焦研究进展

压电作为智能材料,具有响应速度快、定位精度高、不受磁场干扰等优点,与相机调焦特性相适应,已成功应用于各种调焦机构中。该文介绍了压电驱动水下微距调焦研究进展,分析了压电调焦机构耦合动态特性以及控制系统的研究现状,总结了压电驱动在水下微距调焦应用中的存在的问题和不足,给出了压电调焦在未来的发展方向,并提出一种用于水下环境中的微距调焦机构。通过研究发现,目前压电调焦结构在水下环境中的应用相对较少,压电与水下环境的耦合问题以及扰动对控制系统控制精度的影响是当前亟需突破的核心问题。