ANALYSIS OF TIPOVER STABILITY FOR NOVEL SHAPE SHIFTING MODULAR ROBOT

A novel three-module robot has been introduced. It can change its configuration to adapt to the uneven terrain and to improve its tipover stability. This three-module tracked robot has three kinds of symmetry configuration. They are line type, triangle type, and row type. After the factors and the countermeasures of mobile robot＇s tipover problem are analyzed, stability pyramid and tipover stabil-ity index are proposed to globally determinate the mobile robot＇s static stability and dynamic stability. The shape shifting robot is tested by this technique under the combined disturbance of pitch, roll and yaw in simulation. The simulation result shows that this technique is effective for the analysis of mobile robot＇s tipover stability, especially for the reconfigurable or shape shifting modular robot. Experiments on three symmetry configurations are made under unstructured environments. The environment experiment shows the same result as that of the simulation that the triangle type configuration has the best stability. Both simulation and experiment provide a valid reference for the reconfigurable robot＇s potential application.

Evaluation Method on Steering for the Shape-shifting Robot in Different Configurations

The evaluation method on steering is based on qualitative manner in existence, which causes the result inaccurate and fuzziness. It reduces the efficiency of process execution. So the method by quantitative manner for the shape-shifting robot in different configurations is proposed. Comparing to traditional evaluation method, the most important aspects which can influence the steering abilities of the robot in different configurations are researched in detail, including the energy, angular velocity, time and space. In order to improve the robustness of system, the ideal and slippage conditions are all considered by mathematical model. Comparing to the traditional weighting confirming method, the extent of robot steering method is proposed by the combination of subjective and objective weighting method. The subjective weighting method can show more preferences of the experts and is based on five-grade scale. The objective weighting method is based on information entropy to determine the factors. By the sensors fixed on the robot, the contract force between track grouser and ground, the intrinsic motion characteristics of robot are obtained and the experiment is done to prove the algorithm which is proposed as the robot in different common configurations. Through the method proposed in the article, fuzziness and inaccurate of the evaluation method has been solved, so the operators can choose the most suitable configuration of the robot to fulfil the different tasks more quickly and simply.

DEVELOPMENT OF A SHAPE-SHIFTING MOBILE ROBOT FOR URBAN SEARCH AND RESCUE

A portable shape-shifting mobile robot system named as Amoeba Ⅱ（A-Ⅱ） is developed for the urban search and rescue application. It is designed with three degrees of freedom and two tracked drive systems. This robot consists of two modular mobile units and a joint unit. The mobile unit is a tracked mechanism to enforce the propulsion of robot. And the joint unit can transform the robot shape to get high environment adaptation. A-Ⅱ robot can not only adapt to the environment but also change its body shape according to the locus space. It behaves two work states including the linear state （named as I state） and the parallel state （named as Ⅱ state）. With the linear state the robot can climb upstairs and go through narrow space such as the pipe, cave, etc. The parallel state enables the robot with high mobility on rough ground. Also, the joint unit can propel the robot to roll in sidewise direction. Two modular A-Ⅱ robots can be connected through jointing common interfaces on the joint unit to compose a stronger shape-shifting robot, which can transform the body into four wheels-driven vehicle. The experimental results validate the adaptation and mobility of A-Ⅱ robot.

Optimal Control of a Universal Rotating Magnetic Vector for Petal-shaped Capsule Robot in Curve Environment

Steering control of a capsule robot in curve environment by magnetic navigation is not yet solved completely.A petal-shaped capsule robot with less steering resistance based on multiple wedge effects is presented,and an optimization method with two processes for determining the orientation of a pre-applied universal magnetic spin vector is proposed.To realize quick and non-contact steering swimming,a fuzzy comprehensive evaluation method for optimizing the steering driving angle is presented based on two evaluation indexes including the average steering speed and the average steering trajectory deviation,achieving the initial optimal orientation of a universal magnetic spin vector.To further reduce robotic magnetic vibration,a main target method for optimizing its final orientation,which is used for fine adjustment,is employed under the constrains of the magnetic moments.Swimming experimental results in curve pipe verified the effectiveness of the optimization method,which can be effectively used to realize non-contact steering swimming of the petal-shaped robot and reduce its vibration.

双工位针刺机器人系统设计

针对单工位针刺成型系统中人和机器无法高效协同生产,预制体生产效率较低;现有的直线型双工位针刺机器人设备需要2个外部回转轴带动双工位参与织物针刺,系统编程难度较高,且工位切换时需要占据的空间大的问题。提出一种混合切换双工位针刺机器人系统,并开展了双工位针刺成形系统的机械结构设计、异型预制体模具和针刺工艺设计、控制系统设计、运动仿真以及预制体制备的实验验证。结果表明:系统成功实现了大尺寸异型曲面预制体的高效针刺成形,直线/旋转混合切换的双工位使得实现预制体的自动换装的同时又能保证系统空间占用量小;双工位中只有针刺工位上的外部回转轴与6关节机械臂联动,系统较为简单,编程方便;同时提高了数控回转工作台的承载力且将针刺末端执行器的布针数量增加至25针,满足了大尺寸预制体的针刺成形,并使得针刺成形效率直接提高2倍。本文系统可应用于批量化制备大尺寸异型曲面复材预制体。

农作物病虫害预警蛇形机器人避障控制研究--基于超声波及红外感器

首先,搭建了农作物病虫害预警蛇形机器人运动学模型,对其被动蜿蜒转弯模式进行详细分析;然后,基于超声波和红外传感器设计了蛇形机器人控制系统,采用Serpenoid曲线策略对蛇形机器人运动姿态进行了研究,并模拟蛇的蜿蜒避障运动。模拟仿真结果表明:蛇形机器人可以自主检测障碍物,通过对移动速度和方向进行控制,能够实现避障处理。

勘测机器人SMA驱动器特性研究

为准确获取SMA驱动的勘测机器人驱动器性能,采用大变形多晶形状记忆合金马氏体相变的三维本构模型描述SMA力学关系,嵌入UMAT用户自定义材料子程序,建立了SMA驱动器的有限元分析模型。研究表明,SMA丝直径对驱动器性能影响较大,驱动器输出力随SMA丝直径增大而增大。研究方法可为同类型的SMA力学性能描述提供参考,研究结果可指导SMA驱动器的设计。

基于改进粒子群算法的机械臂振动抑制研究

SCARA机械臂在工作过程中和工作终止后都会出现振动问题,为了降低机械臂的残余振动,选取粒子群作为寻最优抑振轨迹的优化算法,针对粒子群算法在轨迹寻优时收敛性差以及出现停滞现象问题,提出采用非线性递减惯性权重和粒子种群跳跃的方法对粒子群算法进行改进。利用机械臂振动抑制实验平台,使用改进的粒子群算法进行抑振轨迹优化并进行实验研究,验证结果可行且有效,得到抑振指标最小的最优抑振轨迹。

基于视觉的软体机器人位姿测量与控制

气动软体机器人具有良好的灵活性和安全性,适合在非结构化的复杂环境中执行任务。因为很难在软体机器人上安装传感器来直接测量形状和位姿,故难以实现精确的位置控制,其运动精度一般远低于传统刚性机器人。针对上述问题,提出了一种基于视觉的软体机器人形状重建、位姿测量以及逆运动学控制的方法。实验结果表明,采用该方法的软体机器人末端执行器位置的均方根误差小于6 mm,测量关键点位置误差小于2.80 mm,整体形状的位置偏差为1.67 mm,弯曲角度、偏转角度平均误差分别为3.6°和3.4°,控制到达期望位置和角度的最大误差分别为3.47 mm和0.24°。实验结果表明所提出的位姿测量和控制方法对提高软体机器人的运动精度和工作能力有很大的作用。

形状记忆合金对蒸汽发生器一次侧高水位密封组件结构及性能的优化

为替代蒸汽发生器一次侧高水位堵板装拆人工作业,利用形状记忆合金的超弹性,通过在密封组件中预埋形状记忆合金,研制了一种新型密封组件,为在核电高辐射区域应用机器人实施关键设备检修——高水位堵板装拆作业奠定了基础。与传统密封组件相比,新型蒸汽发生器高水位密封组件的结构及性能得到极大优化:省去了干密封—自密封—湿密封3道充气环密封,结构更紧凑轻便,堵板装拆机器人执行末端负载大大减轻(新型密封组件小于5 kg);预埋的形状记忆合金圈采用三道同心圆分布和二次硫化工艺,解决了金属/非金属硫化成型变形问题,回弹性好,从而满足密封组件可折叠进入,同时又可以在仅有中板支撑时稳定、准确地落座在主管道法兰环座上。

基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计

针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大,以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题,提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案.通过设计弧面-折翼-后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式,使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类,提高扑翼机器人的形态仿生度.在此基础上,设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式,以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式,在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性.在具体设计过程中,首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试,确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案;其次,对各种尾翼型式进行分析和比较,结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计,并通过风洞测试验证;最后,设计飞控系统并装配整机,进行外场飞行测试,验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.

基于十字交叉激光法的机器人TCP校准系统开发

在工业机器人应用于弧焊、点焊、涂胶等接触任务过程中,为实现工具中心点(TCP)位姿误差高效校准,提出基于U形激光测量传感器的TCP非接触式测量系统。该系统采用十字交叉激光法进行误差模型测量和更新末端工具坐标,实现机器人预设运行轨迹的自动修正,克服了离线编程中因工具坐标系发生偏移而导致的焊接质量的不确定性。系统通过TCP校准程序测量TCP与机器人末端法兰中心的相对位置,校准结果重复精度优于0.6077 mm,验证测量结果的准确性和运动轨迹精度。

机器人支气管镜对肺外周病变活检的研究与应用进展

肺外周病变(PPLs)需进行活检才能明确性质,因其位置远离中央气道并靠近胸膜,为临床诊断带来挑战。机器人支气管镜系统是帮助诊断肺部病变的一种新技术,用于导航、定位、活检及介入治疗,比传统支气管镜更加稳定、准确,并且能到达更远、更细的气道内。机器人支气管镜系统可联合众多检查设备,进一步提高活检准确性,与传统经皮肺穿刺活检相比并发症更少。综述机器人支气管镜发展及应用情况,并对其与介入治疗的结合进行展望,为PPLs活检方式提供更多选择。

人工智能中的进化论:遗传算法情境教学

应用型本科院校电子信息专业学生在人工智能课程学习过程中,大多存在数学基础弱、智能知识少的问题。针对上述问题,提出采用情境教学法辅助学生快速掌握算法思想,有效提升课程教学质量,并详细描述遗传算法情景教学案例。结合苏州科技大学城建特色设计管道巡检情境,在模拟蛇形管道机器人巡检过程中展示遗传算法迭代过程。案例在诠释遗传算法的编码、选择、交叉和变异4个重要内容过程中,有机融入抽象总结、优化选择、交叉融通、勇于创新等思政元素。该情景教学案例在苏州科技大学研究生教学应用中反馈良好,近年来学生成绩有所提高,同时取得较好成果,并在其他高校实现推广应用,为一线教师教学设计提供了案例参考。

模块化连续体机器人设计及实验分析

分析国内外连续体机器人类型,结合象鼻运动时内部肌肉组织结构变化特点,提出一种模块化连续体机器人。该机器人整体结构通过单元模块串联组成,可以完成二维平面内的弯曲和伸展动作,实现不同的包络形态。通过建立机器人相邻模块静力学模型,推导出相邻模块张角大小与驱动力的函数关系。进而组装搭建连续体机器人控制系统,通过实物包络实验,验证新型模块化连续体机器人包络机构的可行性。

机器人抛光M-ZnS去除函数建模与工艺参数优化

为研究M-ZnS在机器人抛光过程中的材料去除模型和优化参数组合,探究M-ZnS光学元件的高精度、低成本、批量化制造方案,采用有限元法和数值仿真法,对M-ZnS的机器人抛光材料去除函数模型进行修正。基于有限元法建立了抛光盘的压力分布模型,采用曲线拟合方法得到了压力分布函数。仿真模型和实验数据对比表明,去除函数模型与实验数据中心相对偏差小于8%,证实了修正去除函数模型的有效性。然后,对抛光关键工艺参数进行优化,通过单因素实验法,获得了机器人抛光M-ZnS的优化工艺参数组合:对于10 mm的沥青盘,推荐压力为0.12~0.18 MPa,推荐的转速比为200/-10~200/-50 r/min。最后,采用修正的去除函数模型和优化工艺参数对100 mm口径的M-ZnS平面光学元件进行抛光,并对抛光前后的表面粗糙度和面形精度进行测量和对比。实验结果表明,经过单轮80.39 min抛光,表面质量明显提高,元件淡黄色逐渐褪去,表现为透明材料,面形PV从0.668μm降至0.229μm,收敛率为65%,表面粗糙度Sa从7.911 nm降低至2.472 nm,收敛率为68%。机器人抛光技术可作为M-ZnS光学元件高效高质量加工的重要手段。

6-UCU并联机器人轨迹规划研究

针对并联机器人笛卡尔空间内位姿插补的轨迹规划问题,设计了一种基于S型速度曲线的笛卡尔空间直线、圆弧与四元数相结合的位姿插补算法.归纳了采用数值法求解6-UCU并联机器人反解的计算步骤,分别对直线、圆弧的位置插补以及基于四元数的姿态插补进行数学推导;分析了7段S型的速度策略,并利用归一化时间算子的方式求出了位置插补与姿态插补相结合的齐次变换矩阵;通过Simulink进行仿真验证.结果表明:该算法可以成功被应用在并联机器人上,运用该算法的并联机器人动平台的几何中心点速度、加速度均满足S型加减速变化规律.该算法能够降低对并联机器人末端执行器的机械柔性冲击.

气动扇形腔室软体弯曲驱动器的设计及分析

为了设计结构简单、制作方便、易于建模的大角度弯曲驱动器,提出了一种扇形腔室结构的软体多腔室弯曲驱动器。该驱动器由超弹性材料制作而成,并在Yeoh本构模型的基础上,建立了输入空气压力与弯曲角的函数关系。利用Abaqus有限元分析软件对驱动器在不同驱动气压下的弯曲变形进行了仿真,分析了腔室端面半径、腔室壁厚、腔室端面夹角、凹槽深度、底层厚度等结构参数对驱动器弯曲角度的影响。制作了软体驱动器,搭建了气动控制实验平台,测试了驱动器的弯曲性能,输入气压为0~65 kPa,弯曲角度为0~218°,仿真结果与实验结果基本吻合。基于弯曲驱动器设计了一种夹爪长度可调的软体夹持器,测试了其对不同尺寸、形状、质量的物体的夹持效果,实验结果验证了所设计驱动器和夹持器的实用性,表明驱动器具有良好的弯曲性能。研究结果可以为软体驱动器的进一步研究提供参考。

机器人立式纸箱自动开箱套箱成型系统设计及应用

针对烟草生产线预压打包段前采用人工完成纸箱开箱套箱成型,存在人工成本高、生产效率及自动化程度低等问题,论文设计了一套以机器人为核心多设备协同作业的立式纸箱自动开箱套箱成型系统。该系统主要由机器人抓取系统、内外箱上料装置及内箱盖折叠装置等组成,利用机器人臂在作业空间多自由度运动控制特点,设计出一套适应纸箱成型的工艺动作流程,满足了企业对生产线高度自动化的需求。以复烤片烟包装用瓦楞纸箱为对象进行测试,应用效果表明:该系统能够完全替代人工实现纸箱的自动开箱套箱成型,其额定生产能力可达63箱/h,内外箱套箱成功率可达99%以上,作业人员由5人减至1人,显著提高了生产自动化程度及效率。

考虑廓形特征的机器人异型盘磨削接触力建模

目的为表征具有尖端小、比压大廓形特征的机器人异型盘磨削接触力,针对异型盘薄板与橡胶板双层结构形式,提出一种考虑廓形特征影响的包含薄板挠曲形变和橡胶板弹性形变的机器人异型盘磨削接触力建模方法。方法首先,基于弹性薄板弯曲理论,分析薄板挠曲形变与接触力关系。其次,依据静态弹性理论,建立橡胶板在弹性形变区域内弹性形变与接触力模型。再次,开展有限元数值模拟实验求解橡胶板弹性形变参数和薄板挠曲形变参数,并通过变量替换建立接触力与异型盘法向进给位移数值形式反函数模型。最后,搭建机器人异型盘磨削实验平台,分别开展1种平面与3种曲率曲面工件的机器人异型盘接触力模型验证实验和1种侧曲面圆台铸铁工件的机器人异型盘磨削一致性验证实验。结果机器人异型盘接触力模型验证实验结果表明,当盘倾角较大时,能够较为准确地预测接触力。机器人异型盘磨削一致性验证实验结果表明,在相同的磨削参数条件下,3条磨削路径(路径1、2、3)的磨削深度平均值分别为0.0663、0.0632、0.0645 mm,最大偏差分别为0.0139、0.0090、0.0108 mm,变异系数分别为11.2%、6.4%和9.6%。实验验证了所提方法的有效性。结论所提方法考虑了异型盘廓形特征,将工件表面曲率、盘倾角、廓形参数和异型盘尺寸等参数包含在磨削接触力模型中,并描述了磨削接触力与异型盘法向进给位移的数值形式反函数关系,能够度量异型盘磨削作业接触区域和解释磨削接触力影响因素,可为机器人异型盘的高效率、高质量恒定接触力磨削提供理论依据。