机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。

仿冰壶火炬传递两栖机器人的水下航行设计研究

随着科技的不断发展,机器人成为未来生活不可或缺的一部分,针对北京2022年冬奥会水下火炬传递应用的需求,设计了仿冰壶火炬传递两栖机器人。通过对机器人进行初期建模,并进行了机器人水下航行的稳定性仿真与研究,通过矢量控制方法对机器人推进器进行布局以推力分配。通过大量实验测试,将理论分析与实际数据进行对比,进行真实的水动力模型建立,并实现了机器人水下航行的稳定控制。最终,在北京2022年冬奥会上成功完成奥运史上首次机器人水下火炬接力。

桥梁检测机器人运动分析与运动规划研究

针对桥梁检测机器人对于高墩、高厚度桥梁不同部位的便捷检测需求,开展五自由度桥检机器人运动分析与运动规划研究。采用改进型D-H方法进行正向运动学建模,通过解析方法求解两种形式的运动学逆解,推导雅可比矩阵,分析机器人的奇异位型;通过蒙特卡洛方法得到机器人工作空间,确定工作空间可覆盖待检测区域;由连杆力与力矩平衡方程推导各关节受力关系,基于关节负载能力开展运动规划研究。仿真分析结果证明了方法的可行性,说明机器人能够完成预定的工作任务需求。

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。

基于模型预测的巷道机器人轨迹跟踪算法研究

为了解决巷道机器人高精度轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于模型预测控制的高精度轨迹跟踪控制算法。首先,根据巷道机器人的运动学特性,建立了运动学模型;其次,基于跟踪精度和机器人的物理特性设计轨迹跟踪优化目标函数,并根据巷道机器人的物理限制和巷道环境特点需要设定轨迹跟踪控制器的边界条件;然后,选择用二次规划完成优化计算,并依托机器人本体的里程计反馈信息,完成巷道机器人轨迹跟踪控制;最后使用turtlebot3型机器人进行了实物实验,并且与基于反步法的轨迹跟踪进行了对比,结果表明所提出的方法具有更好的轨迹跟踪精度和鲁棒性。

桥梁检测轻质长臂机器人设计与试验研究

针对高墩、高厚度桥梁主梁底部表面快速、高效的检测需求,提出一种搭载在轻型移动平台上的电驱动轻质长臂机器人。通过合理的机构构型设计、结构优化设计实现了长臂机器人本体的轻量化,该机器人搭载在轻型移动平台上,可沿人行道行走,并能在桥检现场快速布置开展检测作业。实际运营公路桥梁的拍照检测试验表明:1)机器人在桥面上稳定停靠后,可通过运动规划展开到位;2)利用其末端配备的视觉检测云台,实现对主梁底部的拍照详检;3)初步验证了长臂机器人作业能力和检测功能,为未来实现大型桥梁主梁的自动化检测作业奠定基础。

自主水下机器人布放回收技术综述

对水下机器人布放回收这一领域的研究进行了综述并对未来研究进行了展望。首先分析了水下机器人布放回收的不同方式,主要可分为水面有人舰船、水面无人船、潜艇以及大型水下机器人布放回收方式。接着举出不同回收方式的国内外例证并对其优缺点进行总结。随后探讨和分析了实现布放回收所需的关键技术,包括自主对接技术、定位引导技术、锁紧定位技术及对接回收策略,并对技术现状及装备进行举例分析。最后对水下机器人布放回收的研究方向和重点进行了展望。综述表明,水下机器人布放回收的结构和所需关键技术还需持续研究,特别需要关注的是随着布放回收技术研究的不断深入,未来水下机器人布放回收系统将向自主化、无人化、通用化发展。

多移动机器人混合避障算法的编队策略

针对多移动机器人系统在未知静态障碍物环境下的编队避障问题,提出了一种多移动机器人混合避障算法的编队策略,使多移动机器人系统在整个运行过程中保证系统内不发生碰撞,并且在未知静态障碍物环境中能最大程度地保持队形进行有效避障,以及能够在较短时间到达指定目标点。该编队策略基于领航跟随法和人工势场法,将系统内机器人划分为领航机器人及跟随机器人,并根据各自角色任务的差异,对其采用了不同改进方法的人工势场法进行避障,形成一种混合避障算法,其中针对领航机器人提出了LAPF(leader artificial potential field)避障算法,该算法改进了传统人工势场法的斥力函数,解决了传统人工势场法极易陷入局部极值困境的问题,并有效缩短了避障过程所用时间。为保证整个系统运行过程及避障行为之后能够恢复队形保持系统稳定性,该编队策略利用一致性模型控制机器人的速度,使领航机器人与跟随机器人的状态趋于一致,进而保持队形。仿真结果验证了LAPF算法及该多移动机器人混合避障算法编队策略的有效性。

基于同步动态优化的移动机器人最优速度规划

针对移动机器人在实际运动中受到运动极限的制约及非完整约束的影响,导致难以兼顾运动效率与执行器跟踪性能的问题,提出基于同步动态优化的速度规划方法.建立基于最优控制的速度规划方案,综合考虑机器人的车轮物理约束及车体规则约束.提取约束生成器中的1、2阶约束,根据可达性分析,通过线性规划过程,递推得到参考轨迹,为数值优化提供初始猜测.考虑约束生成器中的3阶约束,采用约束松弛方法,通过基于内点法的同步迭代优化,得到最优配速方案.通过数值及仿真实验验证了以上算法,实验结果表明,移动机器人在运动效率上可以达到车轮物理极限或车体规则极限,在执行器跟踪性能上可以将路径位置误差减小20%以上,保证了运动过程平稳光滑.

基于海洋机器人观测的高分辨率海洋环境预测方法

海洋机器人是海洋环境观测应用的重要工具。利用海洋机器人获取的稀疏观测数据,实现区域海洋环境要素空间场高分辨率预测具有重要应用需求。面向该需求,提出一种基于海洋机器人稀疏观测数据的高分辨率海洋环境预测方法。以卷积长短期记忆神经网络ConvLSTM为基础,建立数据驱动的海洋环境空间场时间序列预测模型。应用集合卡尔曼滤波方法同化海洋机器人观测数据,实现神经网络预测模型在线学习,使模型逐步逼近海洋环境状态、预测输出逐步逼近观测数据。针对大尺度海洋环境高空间分辨率预测带来的高计算复杂性问题,引入非均匀空间分辨率预测策略,有效应对计算挑战。利用水下滑翔机南海北部观测实验数据进行了区域海洋环境二维水平面温度场预测实验,结果验证了方法的有效性。

基于PSO-LSSVR的机器人磨抛材料去除模型

为了建立磨抛工艺参数与材料去除深度的关系,建立一种基于最小二乘法支持向量回归机(LSSVR)的材料去除深度预测模型,并引入粒子群优化(PSO)算法来优化LSSVR的超参数,可提高LSSVR模型的预测准确性和全局优寻能力。搭建叶片机器人砂带磨抛实验平台,设计并进行多工艺参数实验,考虑工艺参数:砂带粒度、砂带转速、进给速度、接触力和叶片表面曲率半径,获得叶片表面的材料去除深度,最终利用实验数据建立了PSO-LSSVR叶片材料去除深度预测模型。结果表明,PSO-LSSVR模型的预测准确率为95.37%,平均预测误差为0.003463,说明PSO-LSSVR模型具有较高的预测精度,并结合实际加工情况进行实验验证可行性,证明PSO-LSSVR模型可以有效合理地建立工艺参数与材料去除深度的关系。

运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补

为满足工业机器人高精度复杂曲线运动的需求,本文提出运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补算法.首先,根据轨迹最大轮廓误差和机器人动力学特性对曲线分段.随后,提出优化回溯算法,使各子曲线段均可用S曲线加减速规划.之后,为保证机器人在进给速度极小值处不超速,将各加减速阶段运行时间调整为插补周期的整数倍,并对子曲线段衔接处速度平滑处理.最后,提出模型迭代寻优曲线插补,大大降低了速度波动率.仿真试验表明,该方法插补轨迹的各项指标均满足要求且最大速度波动率仅为0.000099%.真机试验也验证了该方法可有效减小轨迹误差.

伤员运载机器人楼梯环境运动稳定性

针对伤员运载机器人在楼梯环境的运动稳定性问题,分析机器人各关节运动对机器人运动稳定性的影响,建立机器人运动学模型。结合稳定锥方法与伤员运载机器人实际结构,通过MATLAB软件计算分析重心调整机构对机器人稳定性的影响,验证机器人通过重心调整后上楼梯运动的稳定性。仿真和实验表明,伤员运载机器人的重心调整机构能够有效地调整机器人的重心,调整后的机器人能够稳定地在楼梯环境中将伤员运出。

航空发动机风扇叶轮机器人自动化定量去除方法

航空发动机风扇叶轮动平衡差会引起发动机内部轴承及叶片等零部件的损坏,导致发动机振动,整体性能下降。针对某航空发动机风扇叶轮的动平衡定点定量去除加工要求,提出了一种多传感器融合的自动化加工方法。该方法基于六自由度机器人系统及数控转台,将测量传感器与力学传感器相融合,利用机器人控制技术来实现风扇叶轮的自动化磨抛,并进行理论去除量与实际去除量的对比实验分析。实验结果表明,当磨抛区间>10°时,理论去除量和实际去除量的差值在±1%以内,验证了所提出的预测磨抛区间的准确性与加工方法的可行性。与传统的人工磨抛或复杂昂贵的机床磨抛加工相比,此方法对于航空发动机风扇叶轮定点定量去除具有集成度高、效率高、普及性强等优点,为航空发动机的制造提供有力的技术支撑。

基于救援机器人的人体关节点检测方法

为了使救援机器人在危楼环境下能够精确地检测人体关节点,以代替救援人员进入危险现场,提出了一种基于救援机器人的人体关节点检测方法。首先,通过Kinect相机获取人体关节点检测数据,采用归一化的方法对关节点数据进行平滑预处理。其次,对预处理数据加入人体关节长度约束和关节旋转角约束,从而生成每个人体关节点空间位置。最后,采用Tsai方法进行手眼标定,得到机械臂和伤员之间的距离。实验结果表明该方法在危楼救援环境下能够准确测量伤员关节点位置,验证了所提出检测方法的有效性。

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

基于时间最优的机器人位姿同步轨迹规划方法

为提高工业机器人在工作空间的运行效率,提出了一种在笛卡尔空间实现位姿同步的时间最优轨迹规划方法。该方法采用三次均匀B样条曲线对机器人末端路径点进行位姿同步的路径插值;以减小运动时间为优化目标,在满足关节运动学约束的条件下,采用线性规划对离散后的笛卡尔空间参数化轨迹进行逆向与正向递推,求解路径参数的相平面图。基于路径参数的相平面图,通过雅可比矩阵计算关节速度进行时间最优速度规划。针对所提方法进行实验验证,结果表明该方法在满足机器人实际运动性能的前提下达到了时间最优。

基于Kriging算法与PSO算法的桁架机器人横梁模块智能优化设计方法

桁架机器人搬运能力强、操作方便、定位精度高,在制造业中具有极其重要的作用。针对桁架机器人自重大而导致的运行稳定性较差和材料冗余等问题进行结构优化设计研究。目前桁架机器人的结构优化设计研究有限元仿真调用次数多,时间损耗大,优化效率低。针对此问题,在分析了桁架机器人横梁部件尺寸、负载与应力、形变之间的关系后,提出了一种基于Kriging模型与PSO粒子群算法的结构优化设计方法,可以有效减少有限元仿真的调用次数,节约时间,提高优化设计效率。

融合GMM和PSO的储罐超声检测机器人避障研究

为实现储油罐内机器人自主检测技术,需要克服机器人自主应对复杂储罐底部环境的难点,提出基于融合改进的高斯混合模型和粒子群算法的移动机器人障碍位置记忆和局部避障算法FGMM-PSO,使机器人具有环境自适应能力、泛化障碍记录能力和自主避障能力。通过webots机器人仿真环境平台建立环境参数与机构关联模型,模拟了机器人在油罐内的避障移动,结果表明,FGMM-PSO算法能够使机器人完成油罐内自主障碍记忆和避障任务,进而令机器人克服复杂储罐底部环境进行检测成为可能。

基于光子晶体结构色传感器的软体机器人运动检测方法

为了解决软体机器人难以实现基于实时反馈信号的精确运动控制的问题,提出了一种基于光子晶体结构色传感器色相的软体机器人运动检测方法。该方法的工作机理在于,当软体机器人活动时,集成在其上的光子晶体结构色传感器颜色会发生变化,通过图像处理技术检测这些色相变化,并根据色相信号和运动状态之间的映射关系,实现对软体机器人运动状态的跟踪监测。色相检测稳定性测试结果表明,不同亮度和饱和度下的平均色相值分别为179.97°、179.67°,标准差分别为0.51、0.36。