盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动设计研究

针对光伏电站中运维使用的清扫机器人轻量化设计问题,提出一种盘刷式光伏清扫机器人结构并设计驱动系统。首先,在现有轮式机器人基础上,将盘刷与机器人驱动轮集成为一体,设计紧凑型机器人结构,在机器人运动过程中同步实现组件表面清扫,并对电机支架进行优化设计。其次,采用四轮驱动方式,设计盘刷式光伏清扫机器人驱动系统软硬件。在屋顶光伏组件表面开展实验,实验结果表明所设计的盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动系统满足清扫需求,在夏季晴天天气清扫一块面积为2.44 m^(2)的光伏组件,对比清扫前后光伏组件标准化的电气特性,清扫后修正至标准测试条件(STC)下的最大功率提升约16.1%。

基于多策略改进的SMC-GTO电机速度跟踪控制

针对传统控制算法在农业机器人驱动电机速度控制方面存在的响应时间长、跟踪效果差以及参数整定难度大,导致驱动电机转速难以在短时间内收敛至预期值的问题,提出一种基于多策略改进的SMC-GTO电机速度跟踪控制算法。首先,为了缩短驱动电机速度响应时间,提高速度跟踪效果,设计了一种新型趋近率的改进滑模控制器(I-SMC);其次,为了快速整定滑模控制器参数,引入了多策略改进的大猩猩部队优化算法(MIGTO)。仿真结果表明:I-SMC能够将电机运行过程中的动态误差累计与过冲控制在0 rad/s内,并且可以在0.4 s内响应至预定速度。MIGTO算法在开发和探索阶段均展现出卓越的性能,尤其在整定基于新型趋近率的改进滑模控制器参数工作中表现突出。该研究通过引入I-SMC和MIGTO算法,成功改进了驱动电机速度控制方式,有效缩短了响应时间,提升了速度跟踪效果。

伸缩式钻孔机器人动力学模型及仿真分析研究

钻孔机器人在油矿井下作业环境中逐渐广泛应用,提出了一种由钻孔液驱动的新型伸缩式钻孔机器人。首先根据钻孔机器人驱动力的工作原理,建立了压差流体力学模型,在此基础上分别推导了钻孔机器人在空载和负载条件下的牵引力计算方程,从而建立了钻孔机器人的动力学模型,提出了钻压、钻速等关键参数的计算方法。通过仿真分析了表明,随着流量的增加,钻速/速度和钻孔机器人的牵引力均呈近似线性增加趋势,在空载条件下,钻孔机器人将处于加速状态,直到伸缩缸停止泵送钻孔液为止。在负载条件下,钻孔机器人与机械钻孔速率能快速达到平衡。

床椅一体化机器人设计与实现

针对床椅机器人在室内狭小空间灵活行走的问题,研制一款四轮独立驱动转向的床椅一体化机器人。根据室内狭小空间的转向需求,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。对重要部件进行了理论计算、有限元分析,对驱动轮支架进行了应力及形变分析;在ADAMS软件中建立了床椅机器人的动力学仿真模型,进行了稳定性分析。仿真结果表明,驱动轮支架的强度和刚度均满足设计要求,床椅机器人的各项指标符合国家相关标准的规定。样机试验进一步验证了仿真分析的结果,确认了床椅一体化机器人的稳定性、越障性能和在室内狭小空间的转向性能。

基于领航-跟随法的多机器人编队控制

编队控制是多机器人系统研究的核心问题之一,具有广泛的研究价值。针对编队问题,通过对轮式差分驱动机器人运动模型进行分析,并设计相应的控制器。在传统的领航-跟随模型上,引入“虚拟机器人”,将跟随者机器人对领航者机器人的轨迹跟踪转换为跟随者对“虚拟领航者”的轨迹跟踪。首先,预设定实际领航者机器人的行进路径,由实际领航者引导运动方向的运动轨迹被视为主轨迹,虚拟机器人通过数据产生参考点从而生成参考轨迹,跟随者机器人通过对参考轨迹的跟踪与“虚拟领航者”构成轨迹误差跟踪系统。然后通过Lyapunov的控制理论验证控制器的理论可行性,最后在MATLAB/Simulink仿真平台进行实验,通过改变控制参数来使机器人形成相应的期望队形,在较短的时间内,跟随机器人对参考轨迹的跟踪误差趋向于0且速度收敛,验证了编队系统的可行性。

Modeling of large scale solar cell handling robot with belt-driven flexible arms

To increase the competition of the solar energy collection system, the size of the solar panel module during the manufacturing process is being increased continuously. As the size of the solar panel increases, the size of the robot to handle the panel increased also. The change in scale of the robot inevitably results ill the amplification of the adverse effect of tile flexure. The main source of the flexure in the large scale solar cell panel handling system is the long and thin fork fingers of the [land and the solar cell panel. In addition, tile belt-driven actuator system used by most of the large scale panel handling robot is another significant source of the vibration. In this paper, the flexible multi body dynamic model of a large scale solar cell panel handling robot, which is being designed and constructed with the help of Kyung Hee University, is developed. The belt-driven system in the robot is also modeled as flexible system and included ill the robot to represent the actual vibration characteristics of the actuator system. C 2013 The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics. [doi： 10.1063/2.1301310]

护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统研究

护盾式临时支护机器人是适应夹矸与片帮共存的大断面巷道智能掘进机器人系统的重要组成部分,其主要功能是为实现“掘支并行”作业提供安全可靠的工作空间。为加强护盾式临时支护机器人推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护,根据护盾式临时支护机器人结构、工作环境与作业需求,建立其带压行驶的推移量与支护力数学模型及带压行驶动力学模型,设计了护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统。该系统主要由支护液压系统、行驶液压系统组成:静态支护时,支护液压系统需时刻输出大于上盾体自身重力的支护力,行驶液压系统处于待机状态;带压行驶时,支护液压系统和行驶液压系统同时工作,在保证临时支护机器人“减压不离顶”的同时,与顶板时刻带压并稳步前移。提出了基于模糊PID的护盾式临时支护机器人带压行驶精准控制方法:通过集成在推移油缸上的位移传感器与液压回路中的压力传感器实时采集临时支护机器人的压力与位移信号,用于反映临时支护机器人带压行驶途中支护力和行驶位移的变化情况,并根据支护力和推移量的误差和误差率,利用模糊PID算法对支护力和推移量的控制参数进行修正,实现基于模糊PID算法的带压行驶可靠控制。仿真与实验结果均表明,模糊PID控制的效果优于传统PID控制,在模糊PID控制下,护盾式临时支护机器人推移行驶过程中的支护力相对误差小于1%,行驶位移误差小于2 mm,且支护力和推移量控制响应速度快,保证了推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护。

软体机器人在服装领域的应用进展

软体机器人由可变形材料制成,具有柔顺性高、适应性强等优势,现已成为机器人领域的研究热点,并在加速服装智能化进程中发挥重要作用。为促进软体机器人技术与服装领域的融合发展,根据当前软体机器人的研究进展,聚焦于软体机器人关键技术,总结其在制作材料、制作方法、驱动方式及控制与建模4个方面的研究现状;对软体机器人在纺织面料抓取与转移、上肢辅助及下肢辅助服装上的应用情况进行综述。研究认为:可利用智能软材料和微加工技术实现控制元件微型化;结合织物性能特点提高面料自动抓取与落料精度;可穿戴软体机器人在优化设备技术性能的同时,要对整个人机系统进行持续评估和迭代开发,提高人机交互便捷性,以促进软体机器人行业与服装领域的深度融合。

轨迹可控的微型水母机器人研制

为解决微型机器人在较小机身尺寸下实现高效轨迹控制的难题,设计并研制了微型仿水母机器人JRT,其由气室、重心调整机构和仿水母推进器三部分组成,尺寸仅为6.8 cm×5.3 cm,可通过重心调整机构和仿水母推进器协同控制有效实现水下轨迹可控.水下实验验证了机器人JRT沿竖直方向游泳和悬停、水平定向游泳以及水平弹射功能,并通过对机器人JRT沿竖直方向和水平方向游泳过程中的力平衡关系和运动状态数据分析提出了轨迹控制方案,测得水平定向游泳的速度可达到1.7 cm/s,轨迹偏差为0~3.4 cm,展现了微型仿水母机器人JRT较好的轨迹控制能力,可见其在水下资源勘查、环境监测等领域的应用潜力.

轮式移动机器人平面驱动转向稳定区域研究

为判断移动机器人的平面运动稳定性,提出了一种以能量耗散理论为基础的驱动转向稳定区域求解方法。建立了移动机器人平面运动五自由度动力学模型,通过移动机器人能量耗散过程分析,求解移动机器人的平面运动驱动转向稳定区域,将仿真结果代入到ADAMS模型中进行了动力学特性分析及正确性验证。结果表明:通过能量耗散理论所求的平面运动驱动转向稳定区域与仿真运动分析结果一致,可为移动机器人的运动稳定性研究提供动力学判据。

欠驱动蛇形机器人轨迹跟踪算法

蛇形机器人由于其狭长的机械臂和超冗余自由度,在复杂极端环境中具有优越的灵活性。本文在欠驱动蛇形臂机器人的结构基础上,提出了基于等效杆长和等效虚拟关节的两种轨迹跟踪算法,实现蛇形臂机器人对目标曲线的跟踪,满足蛇形臂机器人的运动控制需求。最后,设计了臂长1075 mm包含7关节单元的蛇形机器人样机,并进行了轨迹跟踪实验,结果表明蛇形机器人可轻松穿过直径90 mm以上的狭小管道。运动过程平稳、无振动,验证了轨迹控制算法的正确性和结构设计的合理性。

复杂地形六轮独立驱动与转向机器人轨迹跟踪与避障控制

为研究六轮移动机器人在复杂地形的运动控制方法,针对六轮独立驱动与转向机器人复杂地形轨迹跟踪问题,提出一种预测控制和动态补偿的控制方法。基于非完整约束的线性六轮移动机器人运动学模型,以模型预测控制算法为基础,引入比例-积分-微分补偿控制器,抑制动态滞后引起的跟踪误差,设计速度与转向角动态反馈补偿,以应对地形扰动对轨迹跟踪的影响。分析机器人运动过程中障碍物的避碰问题,设计可求解避障轨迹的避障规划器,通过轨迹跟踪系统对局部避障轨迹进行跟踪控制,实现机器人的轨迹跟踪和自动避碰。对轨迹跟踪算法和避障算法进行仿真实验。实验结果表明:在典型工况下,机器人可完成凹形斜坡、凸形斜坡和凹凸地形正弦型轨迹跟踪控制和静态与动态障碍物避碰,验证了新方法的有效性。

液压足式机器人关节驱动系统实验台研究

为测试液压足式机器人关节驱动系统的控制性能,实现对外负载力的精确模拟并研究高性能控制策略,设计液压足式机器人关节驱动系统实验台。介绍了关节驱动系统实验台的工作原理、机械结构、液压系统及测控系统;在MATLAB/Simulink平台中建立了关节驱动系统实验台仿真模型,通过仿真分析,验证了实验台的负载模拟能力及控制性能。研究结果表明,实验台能够实现负载力加载并实现精确控制,为后续液压足式机器人关节驱动系统的研究提供平台。

复杂场景下工程机器人的机械结构分析与设计

依托于RoboMaster机甲大师赛,提出了一种应用于复杂场景下的工程机器人机械结构分析与设计方法,并基于该原则对工程机器人进行了结构设计,使工程机器人可以实现稳定行走、取弹、登岛、救援等功能。工程机器人的行驶系统采用四轮独立悬挂搭配麦克纳姆轮来进行全方向灵活移动,取弹系统采用一组M3508电机进行夹取和补弹,救援系统采用CDJ-10型迷你气缸和曲柄连杆进行拖车救援。

石油钻井平台装备电动化进程及趋势

针对国内外电驱动管柱自动化作业装备开展技术研究,分析了美国Canrig公司钻台机器人、排管机器人、电动铁钻工、输管机器人,美国NOV公司钻台机器人及其相关自动化作业系统,法国道达尔公司巡检机器人7类产品的功能、特性等;论述了国内电动扶管手、二层台机械手、指梁、巡检机器人等技术和应用现状。通过技术对标分析得出:国内外石油钻机装备均向智能、高效、绿色化发展,钻井作业由传统人力操作逐步向自动化、智能化转变;国外装备在小体积大功率驱动、防尘防水、防爆防盐雾、多轴协同等关键技术突破方面优于国内,而其在产品多样性以及应用推广方面与国内差距明显。建议国内基于电传动系统的特点,突破传统理念,研发新型高效装备;以及在装备自主决策、故障诊断等方面加大技术攻关力度。研究结果可为我国石油钻井装备技术发展提供参考。

磁性微球机器人在模拟血液中的运动控制

微纳机器人因其尺寸小、操控精度高、易到达小腔道等优点,可精确、高效地递送药物,是未来精准医学的新方向。本文以明胶为基材,构建了磁性微球机器人系统,它兼具明胶对环境无毒、无污染、生物可降解的优点,以及磁场对生物组织无害、不与物质直接接触而实现控制等优点。通过优化制备条件如明胶浓度、搅拌速度和乳化剂的浓度及乳化时间,制备出稳定、均匀的明胶磁性微球。研究了粒径、磁场强度、频率及液体粘度对粒子运动的影响,进一步探讨了粒子在不同浓度的模拟血液中的运动控制。今后,可以结合机器视觉、自动识别导航等从而真正体现微纳技术的优势,有望获得广阔的医学应用前景。

驾驶机器人机械腿轻量化设计与动力学分析

为了缩短车辆相关性能测试需要的时间以及提高试验精度,提出了一种结构小巧、轻量化的驾驶机器人机械腿。针对车辆踏板踩踏动作需求,完成了机械腿的结构设计并建立运动学模型。根据运动学模型分析结构尺寸对机械腿运动特性的影响。采用拉格朗日方程建立动力学模型,完成机械腿踩踏动作仿真。通过ADAMS仿真平台验证建立的机械腿运动学和动力学模型。并根据动力学模型的理论数据,以减轻机械腿自身质量为优化目标,对机械大腿部件应力以及应变进行分析,计算不同轻量化方案下的应力、应变,选取最优轻量化方案。结果表明:该驾驶机器人机械腿结构设计合理紧凑、运动稳定可靠,骨棒型轻量化方案整体质量下降0.484 kg,降低33.9%。

螺旋驱动可变径管道机器人设计与实验研究

针对目前管道清洗机器人存在的通过性差、结构复杂、适应范围单一的问题,设计一款基于螺旋驱动原理的具有自适应变径的轮式气动管道清洁机器人。该机器人由前部螺旋行走机构、清洗机构、中间动力输送机构、后部支撑行走机构组成,可适应360~440 mm的管道。简述该机器人的整体结构和工作原理;通过建立机器人简化模型,分析机器人在弯管内的通过性;对机器人在垂直管道内的平衡状态进行静力学分析,得到支撑气缸与气动马达的选型参数;通过ADAMS软件模拟机器人运动状态,对机器人在管道内位移轨迹和接触力进行分析,仿真结果表明机器人可顺利通过弯管;最后通过样机试制并进行了行走实验,验证了机器人结构设计的可行性和合理性。

智能机器人多媒体信息融合平台研发及应用

智能机器人与数字多媒体技术及设备的结合能够为用户呈现截然不同的沉浸式交互体验。提出了智能机器人多媒体信息融合平台的概念,以智能机器人为载体,以周边各类多媒体组件为辅助,充分发挥标准化与模块化设计的优势,形成能够快速重构和迭代的系统框架,满足对产品的复杂定制需求。详细介绍了平台的模块设计,并以一个汽车驾驶体验模拟器说明了平台在现实中的应用。

张拉整体机器人杆件后屈曲驱动行走数值仿真

球形张拉整体机器人与传统的轮式、足式机器人相比,具有高强度质量比、缓冲性能好、地形适应力强等优点,在深空探测中有着广阔的应用前景。球形张拉整体机器人常采用绳索驱动模式,但在驱动行走过程中,过多的驱动数目给球形张拉整体机器人的制造与控制带来了困难。提出了一种基于柔性杆件后屈曲变形的新型驱动模式,实现了球形张拉整体机器人行走过程的数值仿真,并对绳索驱动和杆件后屈曲驱动模式的效率进行了比较。通过椭圆积分法,求得单根杆件在后屈曲变形中的精确解。基于该理论在ADAMS中建立考虑杆件后屈曲变形、接触、摩擦的球形张拉整体机器人刚柔耦合动力学仿真模型。通过ADAMS与Simulink软件联合仿真,利用贪心搜索(greedy search)算法,确定了球形张拉整体机器人的基本步态。在Simulink软件中建立控制系统模型,实现了机器人在杆件后屈曲驱动模式下,向任意目标点的行走控制。对比传统绳索驱动,杆件后屈曲驱动模式下,机器人连续行走所需驱动器数目从18个减少到6个,行走速度提高了43.78%。研究结果为新型张拉整体机器人的设计与制造提供了理论指导。