考虑碰撞的冗余串联机器人冲击运动分析与优化

根据操作环境和使用工况的不同,将碰撞问题划分为无约束碰撞问题和有约束碰撞问题,有约束碰撞问题又包括定点碰撞和动点碰撞。首先,基于Lagrange方程建立串联机器人系统的冲击动力学模型,并结合经典碰撞理论与恢复系数方程,推导了碰撞时系统的外部冲量求解模型。其次,针对无约束碰撞问题,在冲击动力学分析的基础上,建立了机器人发生碰撞时的冲击运动映射关系,提出了冲击运动映射矩阵的概念,并以此为基础构造机器人的冲击运动性能评价指标,用以评价系统在外部冲击作用下保持运动稳定性的能力。最后,分析定点碰撞和动点碰撞的已知条件,提出以碰撞时产生的外部冲量最小为目标,对机器人的碰前位姿进行优化,并以平面三连杆机器人为示例,分别进行无约束碰撞和有约束碰撞的冲击运动分析与优化设计。研究结果表明,机器人在处于或接近奇异位型时抵抗外部冲击的能力会显著降低,其结构参数对系统冲击运动性能有较大影响;通过对机器人的碰前位姿进行优化,可有效减小定点碰撞和动点碰撞时所产生的外部冲量,有利于提升系统运行的稳定性和安全性。     

基于嵌入式监控的双差速驱动果蔬采摘机器人设计

为了提高采摘机器人的转弯性能和自动寻迹能力,利用双差速驱动系统建立了速度协同约束的非线性运动模型,并进行了线性优化,提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的闭环控制模型,提高了采摘机器人移动和转弯寻迹的灵活性。针对采摘机器人双差速的路径寻迹问题,建立了机器人输入、输出的非线性运动模型,并分析了冗余运动约束和系统运动约束条件,通过控制姿态偏差和距离偏差,结合嵌入式监控系统的反馈信息,实现机器人移动和寻迹的反馈调节。对采摘机器人的采摘性能进行了测试,测试项目主要包括寻迹能力和路径规划的耗时。通过测试发现,机器人可以实现较高精度的路径寻迹功能,路径规划耗时短,系统稳定性好。     

柔性并联机器人动力学建模

针对一般柔性并联机器人动力学模型,提出了一种精确而简单的动力学建模方法.根据并联机器人结构特点,将其划分为若个刚性子结构和弹性子结构,形成一个刚柔结合的系统.静平台和动平台相对其他构件变形较小,将它们作为刚性子结构,各个支链作为弹性子结构.分别建立各子结构的动力学方程,弹性子结构采用有限元法和模态综合法建立其动力学方程;考虑各个柔性支链弹性变形对刚性子结构的影响,建立刚性子结构动力学方程;推导出相邻的刚性子结构和弹性子结构之间的几何约束关系.通过相邻子结构的协调矩阵,将各个子结构的方程进行装配形成系统的弹性动力学方程.通过一种高速并联机械手的动力学特性比较分析,表明该方法的正确性和可行性.由于引入刚性子结构和采用了模态综合法,减少了系统自由度数,从而简化了计算模型,为柔性并联机器人提供一种实用的建模方法.     

工业机器人自动磨抛系统

介绍一种用于卫浴产品表面加工的工业机器人自动磨抛系统,着重介绍砂抛加工机构和布抛加工机构的基本原理,以及它们的控制系统和主要控制变量。实践证明,采用这种加工设备,可以使卫浴产品的生产达到要求。     

南疆地区防渗渠清淤机器人的设计

通过采样南疆地区防渗渠的淤泥样本,搭建清淤装置试验平台,寻找清淤装置的最优结构和最佳动力学参数,结合实际工况,建立了基于南疆地区防渗清淤机器人整机设计方案与动力学模型,对该机器人进行了机械臂的轨迹规划和优化.该清淤机器人设有滚筒刷,可以实现对防渗渠底部以及侧边的清淤功能,在滚筒刷顶部设置有传感器系统,传感器检测清淤装置...     

弹性约束自由磨料研抛加工的材料去除机理

弹性约束自由磨料研抛加工是悬浮液中的磨粒在工具的弹性约束下实现对工件表面的加工方法.建立了反映加工过程影响因素的球形工具加工区域模型,以及类球形和棱锥体磨粒的力学模型,讨论了材料去除机理,分析了加工自由曲面的可行性.利用Al2O3和SiC两种磨料对光学玻璃进行了加工试验,结果表明弹性约束自由磨料加工方法应用于超精密加工是有效的.并验证了对磨粒尺度影响规律的分析.     

基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略研究

针对并联机器人在作业过程中的位置精确控制及柔顺控制问题,提出了基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略,实现并联机器人在作业过程中位置和力的高性能动态交互。基于外力估计的柔顺控制实现过程中,考虑到接触力传感器成本较高,提出一种无传感器外力估计的方法。首先建立并联机器人以及伺服运动系统动力学模型,利用所建立的动力学模型和电机的电流反馈值来估算外力作用时机器人关节力的变化。其次根据估算的并联机器人关节力,设计基于位置的阻抗控制,使并联机器人末端执行器与环境柔性接触,确保并联机器人的作业精准度与柔顺度。最后选取合适的阻抗控制参数,对所提出的柔顺控制策略进行仿真分析并且在搭建的实验平台上进行了实验验证,实验结果表明所提出的方法可以实现并联机器人的精确柔顺作业。     

农业机器人轨迹优化自动控制研究——基于BP神经网络与计算力矩

以农业机器人精密轨迹优化自动控制为目标,在优化算法中引入BP神经网络与计算力矩法结合的自动控制器,旨在减少作业过程中的运动误差,提高其工作效率。首先,建立农业机器人数学模型,分析其运动学和动力学原理;然后,设计了农业机器人运动控制系统,引入BP神经网络对不确定动力学因素进行判断,并提出解决该因素的自适应学习法;最后,对该系统运用Mat Lab进行了仿真。试验表明:以BP神经网络与计算力矩法结合的自动控制器可以有效优化机器人运动路径,提高机器人整体作业效率,系统运行稳定、可靠性强,且对外部环境的干扰因素具有较强的自适应学习能力。     

平面宏动并联机器人动态模拟

针对宏微结合的宏动并联机器人建立了动力学模型,实现基于模型的滑模控制及仿真。首先,根据机构闭式约束等式,分析机构的逆位置和正位置,同时推导了机构的速度和加速度关系式。在此基础上,选择各杆件的关键点,建立各关键点的偏速度和偏角速度,利用Newton-Euler公式分析各杆件的惯性力和惯性力矩,考虑了微动平台对宏动机器人运动的作用,根据虚功原理建立了动力学方程。最后,应用动态补偿策略,设计了滑模控制器。仿真结果表明了方法的有效性。     

4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计

提出一种4自由度含局部闭链式码垛机器人动力学优化设计方法。在建立其刚体动力学模型的基础上,提出在目标轨迹及确定运动规律下,以机器人大臂与小臂关节驱动力矩基于目标轨迹上的最大值最小作为动力学优化目标。在此基础上,构造有约束的多目标优化问题,并利用理想点法将该多目标优化问题转化成单目标优化问题加以解决。工程实例证明利用所提方法优化后得到的机器人尺度参数,能够使机器人在目标轨迹上的动力学性能明显改善,大臂与小臂关节驱动力矩峰值降幅分别为9.782%和8.207%,说明优化方法合理、有效。     

轮-腿复合移动机器人RUPU-RUPR球面并联腿机构动力学研究

提出了一种二自由度球面并联腿机构,并以该机构为基础,设计了一种结构简单且越障性能良好的轮-腿复合移动机器人。阐述了该机构的组成,采用解析几何法和闭环约束方程构建了RUPU-RUPR球面并联腿机构的位置逆解、工作空间、速度和加速度模型,并验证了其准确性。运用牛顿-欧拉法建立了RUPU-RUPR球面并联腿机构的动力学模型。在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解出RUPR驱动支链驱动力,RUPU驱动支链驱动力矩以及RUPR驱动支链约束力矩,并给出动力学模型仿真解。结果表明该机构具有良好的工作性能。     

空间刚柔耦合并联机器人动力学求解策略

针对空间刚柔耦合并联机器人在动力学方程求解过程中存在的违约问题,提出了一种基于瞬态刚体校正法的非线性动力学模型求解方法。利用自然坐标法和绝对节点坐标法构建该3-RRRU并联机器人的正动力学模型与逆动力学模型,考虑各支链柔性空间梁单元的剪切效应,并可描述其大范围非线性弹性变形。基于自然坐标法和刚性机构的运动学模型,分别提出2种动力学模型的瞬态刚体校正法,同时从系统能量等角度总结出获取该动力学系统稳定因果解的求解策略。仿真结果表明,动力学方程的求解精度为10-6,约束方程的相容误差为10-8,满足工程应用的要求,且有效地改善了动力学系统的综合收敛性能。通过圆形轨迹跟踪实验可知,与理想刚性模型的控制方法相比,基于逆动力学稳定因果解构建控制方法最大跟踪误差降低了0.372 mm,圆度误差降低了1.46 mm;各柔性杆上特征点处主应变测量值与理论计算值均处同一数量级,且具有相同的变化趋势,从而验证了该方法的有效性。     

随机不确定扰动诱发的机器人动力学行为及其优化

研究随机不确定扰动诱发的平面三杆双足机器人动力学行为,并对其进行优化。在实现理想情形下平面三杆双足机器人稳定行走的基础上,建立了随机不确定扰动下双足机器人的运动学模型、混杂动力学模型,研究了具有HZD反馈控制的机器人在随机不确定扰动下的动力学行为;针对随机不确定扰动,提出了一种BPNN-HZD反馈控制方法,采用该方法对平面三杆双足机器人进行控制,优化其动力学行为。仿真实验结果表明:当平面三杆双足机器人不能以足够大的力度补偿随机不确定扰动影响时,机器人会逐渐出现发散的动力学行为;BPNN-HZD反馈控制方法能够显著减弱随机不确定扰动对机器人动力学行为的影响,从而有效避免机器人的发散动力学行为。     

面向狭长空间的三自由度并联机器人设计与建模

并联机器人因具有刚度大、结构稳定、承载能力大和运动负荷小等优点,在农业和工业等领域得到了广泛的应用。现有大部分并联机器人因支链呈空间对称分布,难以进入狭长空间工作。因此,针对狭长的工作环境,提出了一种新型三自由度并联结构,该机构整体沿一条直线导轨方向布置,减少了垂直于导轨方向的宽度,使之易于放入狭窄的空间内,同时能拥有较大工作空间,并实现3个自由度上的平动运动。通过G-K公式计算机构自由度;验证了该并联机器人设计的合理性;对平台进行了运动学和动力学分析;并根据遗传算法分析其奇异性;通过解析法对机构工作空间进行了分析。研究成果为三自由度并联机器人进入狭长空间工作提供了新的思路与构型。     

基于自抗扰控制的双重转向运动控制系统设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间转向效率,设计了一种基于自抗扰控制的农业机器人底盘双重转向运动控制系统。根据苹果种植农艺需求和行驶环境,确定了底盘组成和主要技术参数,开展了硬件系统搭建和部件选型。建立了底盘4自由度动力学模型,明确了衡量转向效率的状态空间方程。提出了一种基于自抗扰控制的双重转向控制策略,建立了Simulink动力学仿真模型,并进行了转向仿真模拟。仿真结果表明,自抗扰双重转向运动控制模型横摆角速度为0.241rad/s,转弯半径为1.96m,扰动恢复时间为1.04s,相较于传统PID双重转向控制模型,该模型横摆角速度更大、转弯半径更小、恢复稳定状态更快。田间试验结果表明,底盘平均横向偏移距离为18.5cm,滑移率为4.84%,大半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值相比阿克曼转向控制分别减少0.60、0.57m,平均转向时间减少4.70、3.41s。小半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值比阿克曼转向控制分别减少0.52、0.49m,平均转向时间减少10.27、8.22s。     

基于多体动力学的双横臂独立悬架线刚度的计算

建立了以扭杆为弹性元件的双横臂独立悬架系统的空间多体系统模型，推导出了系统的动力学方程和双横臂独立悬架系统刚度计算公式，并用所编制的软件进行了悬架刚度的计算。在求解系统的动力学方程时，提出了解决动力学方程求解过程中“违约”问题的一种新方法，其基本思想是当约束方程不满足时，进行系统装配。通过应用此方法的软件，对具体车型进行了悬架系统刚度仿真计算。计算结果与试验相当吻合，说明文中所建的模型和提出的约束稳定的方法是正确的。     

高地隙三角履带底盘多体动力学建模与试验

三角履带底盘具有高地隙、接地压力小、机动性好等优点,多体动力学分析是研究履带底盘运动特性的重要方法。以高地隙三角履带底盘为研究对象,建立了履带底盘各组件和车体总成的拓扑结构模型,分析了各部分之间的约束和运动关系;采用运动学和动力学手段分析了履带底盘行驶和爬坡的运动过程,构建了承重轮与履带接触模型、履带张紧力模型和履带-软地面接触模型;建立了高地隙三角履带底盘的三维模型,采用谐波叠加法构建了B级路面（水泥硬质路面）和E级路面（农田软质路面）的路谱,并进行了模型仿真与测试验证。结果表明,在硬质路面和农田软质路面上,所构建模型的平均速度误差率均小于1.50%,行驶偏移量误差分别为5.68%、4.89%,平均俯仰角误差不大于3%,说明高地隙三角履带底盘多体动力学模型具有较高的精度。     

基于VR技术的采摘机器人动力学仿真分析

在采摘机器人的设计时,为了提高其动力学设计的效果,将VR技术引入到了设计过程中,采用计算机软件创设虚拟环境,支持对采摘机器人动力学进行仿真,并具有数字化展示功能,可以更好的将产品的初步设计展示给设计者和客户,使产品具有更好的整体性和协调性。为了验证方法的可靠性,以采摘机器人底座的设计为例,对其设计效果以及设计耗时进行了测试。测试结果表明:采用VR技术可以成功的实现采摘机器人动力学设计,且仿真设计的周期较短,效率更高,还能获得更高的用户满意度,对于采摘机器人产品的可视化设计的研究具有重要的意义。     

管道曲面上轮式机器人的极值轨道研究

对轮式机器人在管道曲面上的极值轨道问题进行了研究。在管道曲面上建立了轮式机器人的动态模型,证明轮式机器人是可控的,并且存在时间最优轨道,利用庞特里亚金最大值原理给出了轮式机器人最小时间控制的必要条件,并给出了极值轨道的结构方程,通过结构方程分析了管道曲面上移动机器人的极值轨道,指出极值轨道的控制变量完全由结构方程来确定,并且机器人的极值轨道由2种基本轨道类型的有限组合而成,给出了这2种基本轨道类型控制变量的变化情况。     

农业轮式机器人PI鲁棒-滑模控制——基于RBF神经网络

农业轮式机器人机械多体系统朝柔性机器人方向发展,自由度越来越多,对应的结构也变得更加复杂,自动化和智能化水平越来越高,其动力学建模和实时控制难度增大。为提高机器人动力学建模效率,以通用性较强的具有6自由度机械臂的AMR果蔬收获机器人数学模型为研究对象,利用空间算子代数理论建立了轮式机器人O(n)阶效率的运动学和广义动力学模型。同时,利用Elman神经网络求解了机器人逆运动学问题,结合广义动力学模型和逆运动学模型,根据农业轮式机器人的特点,利用神经网络控制理论、PID鲁棒理论和Lyapunov稳定性理论,设计了一种6自由度机械臂的RBF-PI鲁棒-滑模控制算法,对机械臂末端进行心形轨迹实时追踪。最后,通过试验仿真,验证了本文提出的逆运动学理论、广义动力学模型和控制方法的合理性,为农业轮式机器人的研究提供了参考数据。