基于多维支点及目标牵引的机器人工程专业实践能力提升途径研究

该文针对机器人工程专业学生的实践能力提升任务以及目前存在的问题,设计形成“三支点一牵引”的学生实践能力提升途径。首先,提出以科创竞赛为支点、以产业实践为支点、以科研案例理论教学为支点,构建机器人工程方向学生实践能力提升途径的下层平台基础。其次,以就业需求为牵引,制定学生能力培养目标,构建机器人工程专业学生实践能力提升途径的上层高度基础,为机器人领域培养应用型人才,提升机器人工程专业学生的综合实践能力,并在未来机器人领域快速发挥高水平能力,同时为其他工科专业提供实践能力提升途径探索经验。

煤矿履带巡检机器人越障及牵引特性研究

针对煤矿工况复杂、危险系数高、人员巡检困难等问题,以某型煤矿履带巡检机器人为研究对象,对履带机器人功能结构及其履带组成进行分析,运用仿真分析的方法研究了不同履带轮半径、履带宽度、履带齿高等履带参数对煤矿履带巡检机器人牵引特性的影响。研究结果表明:随着倾角的增加,煤矿履带巡检机器人可跨越的障碍物高度呈现先增大后减小的趋势;随着履带轮半径、履齿高的递增,机器人的牵引力均呈现出一种渐进式、相对较小的增强趋势;随着履带宽度增加,机器人的牵引力提升明显。该研究为煤矿巡检机器人牵引特性提升及应用推广等方面提供技术支撑及一定的参考。

仿蜥蜴肌腱牵引的矿用搜救机器人眼研究

针对井下环境复杂、巷道狭窄以及目前搜救机器人普遍存在的探测角度小、响应速度慢等问题,模仿蜥蜴眼肌腱牵引的生理结构设计矿用搜救机器人仿生眼。采用STM32单片机和蓝牙通讯技术控制仿生眼的运动,在远程终端上实时显示仿生眼捕捉到的视觉信息。模型仿真及样机测试结果表明,所设计的八自由度矿用搜救机器人仿生眼视觉系统,具备俯仰、偏航、滚动三转动自由度的360°全方位搜寻能力,其角速度能够满足快速性的要求,有效实现了搜救机器人视觉系统视角大、响应快、独立性强等特点,提高了搜寻效率和范围。

多关节超冗余机器人自适应运动规划方法研究

针对传统多关节超冗余机器人运动学求解复杂、位形偏移大等问题,提出了一种机器人作业全过程自适应运动规划方法。首先,针对进出狭小工作空间任务需求,提出一种改进的轨迹跟踪算法;通过离散目标轨迹和分段拟合的方式减小运算量,实现自适应轨迹跟踪控制。然后,针对机器人基座固定工况,提出一种双向迭代曳物线轨迹规划算法;通过末端牵引方式设定目标轨迹,利用曳物线渐进收敛的几何特性,逐步降低靠近基座关节的运动范围,提高稳定性降低能耗;采用双向迭代曳物线方式加速收敛,实现基座固定状态下的自适应轨迹规划控制。最后,构建包含12关节和(24+1)自由度的仿真模型,验证了机器人作业全过程自适应运动规划方法的有效性。

巡检机器人2自由度弹性缓冲机构的设计与研究

针对现有的绳牵引式巡检机器人自身抖动较大影响图像识别准确率的问题,设计了一种有效减少巡检机器人自身抖动的2自由度弹性缓冲机构,用于连接绳索和巡检机器人。介绍了巡检机器人的现状,对带式输送机往复巡检系统总体方案进行了研究和设计。据此,使用ADAMS建立虚拟样机模型,重点仿真分析机器人在水平匀速巡检工况下,2自由度弹性缓冲机构的减振效果,并得出其最佳弹性系数。最后搭建实验测试平台,通过实验和仿真的结果表明:2自由度弹性缓冲机构能够大幅减少巡检机器人主体的上下抖动,提高巡检机器人图像及其他传感器识别准确率。

智能骨盆骨折复位机器人联合天玑机器人治疗不稳定型骨盆骨折的临床疗效

目的探讨智能骨盆骨折复位机器人(Rossum Robot)联合天玑骨科手术机器人(TiRobot)治疗不稳定型骨盆骨折的早期疗效,并分析其临床优势与局限性。方法回顾性分析2022年5月至2023年11月于佛山市中医院创伤骨科利用Rossum Robot联合TiRobot治疗的19例不稳定型骨盆骨折患者的病历资料。骨盆骨折Tile分型:B型5例、C型14例。从受伤到手术的中位时间为12(10,14)(6~34)d。在Rossum Robot和TiRobot的联合介入下完成骨盆骨折微创闭合复位内固定术。手术前后均进行骨盆电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)并拍摄前后位、出口位、入口位X线片,根据X线及CT影像测量骨盆复位后的最大残余位移,采用Matta标准评估骨折复位质量。记录透视频率、透视时间、手术时间、术中出血量、术中导针调整次数、置入螺钉的数量及质量、复位后的最大残余位移。根据术后CT三维重建图像对螺钉位置进行分级。记录术后随访时间、骨折愈合时间及术后并发症发生率,并利用Majeed评分系统进行功能评价。结果在Rossum Robot和TiRobot的联合介入下,19例患者都成功完成了骨盆骨折微创闭合复位内固定术。中位透视次数为28(18,55)(10~120)次,透视时间为25.2(16.2,33.0)(6.0~72.6)s,手术时间为206(203,212)(125~231)min,术中失血量为100(100,200)(50~400)mL,术中19例患者的导针调整次数一共为4次,平均每例患者调整0.21次。共置入67枚螺钉,螺钉置入位置的质量为优65枚,良0枚,差2枚。螺钉位置优良率为97.01%。复位后的最大残余位移为(6.59±3.68)(1.21~13.00)mm。根据Matta标准,骨盆的复位质量:优7例、良9例、可3例,优良率为84.21%。18例患者获得17.00(12.75,20.00)(6.00~21.00)个月随访,骨折愈合时间为3.55(3.35,4.18)(2.80~6.40)个月,随访期间并发症发生率为0%,末次随访时Majeed功能评分为(86.00±6.65)(74.00~98.00)分,其中优8例,良10例,优良率为100%。结论Rossum Robot联合TiRobot可以为大多数不稳定型骨盆骨折患者完成智能、安全、精准、微创、均质的闭合复位内固定,可以获得良好的早期疗效。

机器人在牵引变电所应急操作中的应用

在牵引变电所实施大规模无人值守的工作中,考虑到应急操作到达现场的难度和事故的影响程度,枢纽地区、难以到达区域的变电所仍采用有人值班的方式。为了解决这一问题,将智能应急操作装置引入牵引变电所,融合当前最新的机器人技术和人工智能技术,研发了牵引变电所应急操作机器人,采用六自由度机械臂并在其末端加装操作爪的方案,综合利用双目深度相机提供的深度和图像信息进行图像识别,达到毫米级的操作误差要求,实现了对成套设备、综合自动化系统面板按钮、转换开关的操作功能,提升了变电所运维智能化水平和应急响应水平,为无人值守变电所的全面推广提供了有力的保障。

一种矿用管道检测机器人设计及牵引性能分析

针对瓦斯抽采管道破损泄漏检测问题,设计了一种具有管道检测和运动控制功能的螺旋式矿用管道检测机器人,介绍了该机器人的结构和检测与控制系统方案。建立了机器人在管道中运行的力学分析模型,并通过动力学仿真研究了影响机器人牵引性能的因素,结果表明:机器人在管道内运行时的牵引力与管道材质、螺旋角、管壁与驱动轮之间法向力有关;机器人在不同材质的管道中运行时最佳螺旋角不同,在相同材质的管道中运行时,无介质运输情况下牵引力高于有介质运输情况;机器人牵引力随法向力的增大而增大,但最佳螺旋角无明显变化;随着螺旋角增大,牵引力先增大后减小,螺旋角为40°时牵引力最大。为提高机器人通过弯管时的性能,提出一种变螺旋角过弯策略,即机器人主动控制螺旋角随螺旋运动单元转动以正弦式规律变化,使管道内侧的螺旋角小于外侧。搭建机器人测试平台对矿用管道检测机器人进行测试,结果表明:机器人在直管中运行的最佳螺旋角为40°;可通过增加法向力来提升机器人的牵引性能;采用变螺旋角过弯策略时,机器人在弯管中的通过性能和平稳性优于定螺旋角过弯。

智能按摩机器人的设计

传统中医按摩需人工进行,不仅体力消耗巨大,而且按摩手法因人而异,按摩疗效存在较大差异。基于此,设计了一种智能按摩机器人。其借助协作机器人牵引示教功能标定机器人需要的按摩区域,并根据标定点自动生成按摩轨迹,实现区域性按摩;或通过视觉定位系统自主识别穴位,实现穴位精准按摩;借助六维力传感器可实现监测按摩力度,通过调整协作机器人手臂的姿态实现恒定力度按摩。所设计的按摩机器人操作简单、安全性高,具有广阔的应用前景。

用于水质动态监测的渔业养殖管家机器人

在渔业养殖过程中存在着水体温度不适宜、浑浊度过高等导致水产产量下降的问题,而传统人工检测具有局限性。为实现对水下养殖环境中水体温度和浑浊度的实时监测,设计了一种以水质动态监测为主要功能的渔业养殖管家机器人,并进行实验室环境下的实验验证。同时,设计了仿鲈鱼结构,以提高机器人的浮力和抗压能力。实验结果表明,渔业养殖管家机器人能够准确检测水体温度及浑浊度,检测准确率达98%。此外,该机器人也为实验室环境下的水质检测等需求提供了思路。

六独立轮驱动管内检测牵引机器人

研制了一种用于海底管道内检测系统的无缆自治型轮式牵引机器人模拟样机。介绍了机构组成及工作原理, 并分析了动态行走特性。机器人采用内置电动机及传动机构的全主动轮杆式结构,包括六只驱动臂杆和机架杆。每只驱动臂杆的首端直接安装一对主动轮,由其内的一台电动机单独控制。六只驱动臂杆周向60°等间距排列在机架的外层空间,且首尾交替、轴向交错布置,形成六独立轮双截面驱动方式。位于内层中心的机架杆,两端布置力封闭可调机构,产生驱动轮与管壁的主动预紧或解锁。该机器人具有体积小、结构紧凑、牵引力大的特点。试验证明,适合作小直径管道检测系统的理想牵引装置。

水平井牵引机器人自动定心机构动态仿真

牵引机器人输送技术是油田水平井测试中仪器输送的有效手段,自动定心机构是牵引机器人的辅助支撑,用来承受牵引机器人的自重,使机器人始终保持与管道同轴。通过对弹簧蓄能轮式定心机构结构形式与工作原理的研究,建立了偏置式4对臂自动定心机构的力学模型;利用ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)的优化工具,分析了各结构参数与弹簧力的敏感系数,完成了结构参数的优化;根据优化结果建立了仿真模型,利用ADAMS的机械系统建模与仿真模块对其力学特性及动态性能进行了仿真研究,发现越障时结构上存在缺陷,由于两臂之间采用铰接,越障时不能形成独立的力封闭三角形。据此提出了改进方案,通过增加连杆来消除两臂间的制约关系。改进后的模型在越障时避免了单侧轮受力,减少了冲击,提高了机器人运动的平稳性。

油田水平井牵引机器人驱动单元的设计

因为水平井牵引机器人的驱动单元直接决定机器人的外径和牵引力的大小,为获得大的牵引力,同时具有小的外径尺寸,水平井牵引机器人的驱动单元采用模块化的设计方法,根据牵引力的大小合理选择驱动单元的数量。采用螺旋传动及弹簧储能的方式作为牵引力调整机构的主要结构形式,建立了牵引力调整机构的力学模型。针对内径为5 in、7 in和9 in油管,对调整机构的主要结构参数进行了优化设计。确定了驱动单元的组合形式及调整机构的参数,并提出了两种可行的结构方案,证明了采用模块化驱动单元有利于提高机器人的牵引力。

轮式牵引机器人优化设计及运动特性分析

为定量评价轮式牵引机器人在同一管径水平井内的动态运动特性与越障性能,建立了轮式牵引机器人爬行模块的受力模型,优化了结构及尺寸参数,实现了机器人ADAMS整体建模,并构建了对象机器人驱动机构、支撑机构及牵引阻力的Simulink控制模型。提出了轮式牵引机器人的ADAMS/Simulink联合仿真建模方法,进行了对象机器人运动特性及越障性能仿真分析。仿真结果表明结构优化后提高了该型机器人在水平井内的动态运动特性,验证了其较好的越障能力,且仿真计算与理论分析结果基本一致。

适应管径变化的管道机器人

研制了一种能适应管径变化的新型管道机器人。介绍了机器人的机构组成及工作原理,并分析了其运动学和静力学特性。机器人采用三组行星轮系作为行走部件和径向尺寸调节机构,并沿圆周均匀分布。这种设计使得机器人能够根据管径大小自适应地调节径向尺寸,从而能够在有一定管径变化的管道中工作。实验证明,该机器人的设计符合实际要求。

牵引变电站带电水冲洗机器人设计

为了提高牵引变电站绝缘子带电水冲洗作业的安全性,针对110 k V牵引变电站,设计和开发出一种全新的履带式带电水冲洗机器人,能够实现旋转和俯仰以及联合动作。由于工作条件的要求,使用了自制旋转接头来保证机器人的长期可靠工作,并对冲洗效果有重要影响的喷嘴进行了设计和仿真计算。在远程控制下,该水冲洗机器人可以替代人工完成大部分水冲洗作业,从而提高了安全性能、降低了劳动强度。

全地形移动机器人建模与控制研究综述

本文主要针对复杂地形给移动机器人机动性和安全性所带来的相关问题,从机器人建模、轮—地接触模型、车轮滑移、牵引力控制及稳定性控制等方面,对全地形移动机器人建模与控制的相关研究进行了全面综述,并分析了国内外研究现状,特别是近年来所取得的最新成果.最后,指出了目前存在的问题及将来可能的发展趋势.

煤气管道机器人管径适应调整机构分析

提出了一种基于平行四边形轮腿机构、采用丝杠螺母调节方式的煤气管道检测机器人管径适应调整机构,介绍了该机构的工作原理;围绕机器人牵引能力的改善,对其工作过程中相关力学特性建立了数学模型,并进行了实验测试和验证,结果表明理论分析是正确的.该管径适应调整机构具有结构简单、管径适应范围大的特点.

螺旋轮式水平井牵引机器人设计与分析

针对水平井作业工具输送困难的问题,设计了基于螺旋驱动原理的牵引机器人。提出了一种平行四边形支撑杆机构,采用丝杠螺母调节机构和弹簧柔性支撑来适应管径变化。对扶正机构轮与管壁的正压力进行分析,并建立了机器人的牵引力模型。应用Pro/E和ADAMS软件建立牵引机器人的虚拟样机,对驱动轮的正压力和牵引力进行仿真分析,搭建了管道试验环境进行机器人牵引力试验。试验结果表明:该机器人能够在内径125 mm的管道中平稳行进,最大牵引力能达到5 400 N。研究结果对于设计较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。

新型蠕动式微型管道机器人的牵引力及爬坡能力研究

牵引力是管道机器人的一个重要指标,牵引力的大小直接影响到机器人的运动速度以及带载能力等。介绍了一种新型蠕动式微小管道机器人的系统结构及工作原理,并对机器人在直管内爬行时的牵引力作了详细分析。分析了机器人在倾斜管道内的爬坡能力,然后利用ADAMS软件进行虚拟样机的仿真,最后利用研制样机进行了试验测试。