击打式松果采摘机器人设计与试验

针对人工采摘松果过程中存在严重安全隐患的问题,设计了一种击打式松果采摘机器人,该机器人系统主要由电机驱动模块、主控模块、视觉模块、夹持模块、采摘模块组成,视觉模块完成松果识别与定位,实时反馈给主控模块,并控制电机驱动模块,配合夹持模块和采摘模块作业实现松果采摘。采用Matlab仿真软件建立松果采摘机器人运动学模型,求解出机械臂工作空间为直径4.5 m的球体;基于冲量原理和Lagrange方程建立碰撞动力学模型,通过动态分析求解出碰撞后各关节保持原有运动规律所需的驱动力矩;运用静力学原理建立关键组件有限元模型,利用ANSYS Workbench对结构进行优化设计,优化后其安全系数最低为1.577 1,支撑关节最大变形4.148 4 mm。仿真结果表明:该机器人结构在运动学、动力学及静力学方面均满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了松果采摘试验,样机初始状态尺寸1 000 mm×1 200 mm×1 100 mm,试验结果验证了机器人结构设计的合理性与实用性。     

形态可重构移动机器人行走机构设计与分析

基于用移动机器人代替农民在农田复杂环境下进行劳作、减轻农民作业负担的理念,提出一种轮/履形态可重构移动机器人。该移动机器人由4个相同结构的轮/履形态可重构行走单元以及车体组成,具有轮式和履带式2种行走姿态,以便适应野外复杂地形。轮/履运动形态的可重构可以通过轮/履形态转换装置实现。建立了形态可重构单元的运动学模型、数学模型以及动力学模型,并推导了行走单元的数学模型,得到行走单元机器人在攀越台阶越障时机器人摆杆角度与台阶高度h的关系,以及能够攀爬的坡度范围。在Simulink以及ADAMS中建立了行走单元虚拟样机以及仿真环境,并设计了样机。通过对虚拟样机仿真以及Matlab理论值计算,末端速度和加速度的仿真值与理论值误差的数量级仅在10-8～10-6之间,验证了其数学模型以及运动学模型的正确性。     

基于冗余控制策略的采摘机器人设计

针对采摘控制系统精度较低、采摘效率不高的问题,基于冗余控制策略设计了采摘机器人,主要由传感器模块、远程控制模块、控制器模块、执行器模块和中央控制器组成。从冗余度机器人自运动的角度、构造性能指标和自运动变量,对机器人的运动功能变量进行优化和控制,提高对机器人的关节控制。对采摘机器人进行试验,结果表明:机器人可以完成对果蔬的采摘,且保证果蔬表皮的完整性。     

可重构机器人动力学自动建模研究

针对可重构机器人单元模块结构及对接机构的局限性,提出了一种可移动重构机器人模块单元,该单元具有12种连接方式,设计了一种独特的正弦加速度传动槽与插销组合的对接锁紧机构。针对可重构机器人几何构型参数的不确定性问题,构建双模块空间方位变换表,基于递归牛顿-欧拉方法提出多支链机器人系统的动力学方程自动生成方法,并给出自动生成的算法流程。最后以6个模块组成的双支链构型为例,进行了自动生成动力学方程的计算与仿真分析,验证了该自动建模方法的可行性和有效性。     

基于改进适应度函数组合法的机器人逆运动学求解

提出基于分离-重构方法获得智能算法的适应度函数，并与解析法相结合求解一般结构多自由度机器人逆运动学，一般结构满足至少一组相邻关节轴线交于一点。利用分离-重构的方法构建分离-重构适应度函数，使用智能算法验证分离-重构适应度函数，求解出部分关节角，再结合解析法求出其余关节角。以一般结构的FANUC CRX-10iA型协作机器人为算例，使用改进的CMA-ES算法验证分离-重构适应度函数，仿真结果表明，在相同条件下求解的点对点运动中，单次平均求解时间为0.0040s，适应度函数值稳定在10-7数量级，且迭代收敛次数稳定在25次左右；在空间中对两种连续轨迹进行跟踪时，单次平均耗时分别为0.0068s和0.0102s，位置误差均稳定在10-7m数量级，且各关节运动曲线平滑，提升了多自由度机器人逆运动学分析的效率和精度。以REBot-V-6R型六自由度机器人为实验对象，基于VC++6.0创建MFC实验平台，进行连续的空间轨迹跟踪实验，仿真与实验结果验证了该方法的有效性。     

并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验

针对传统柔顺关节运动范围小、易产生轴向漂移的不足,依据3RRR并联机器人运动范围,以关节的移动范围及所需刚度作为条件,对关节的几何尺寸进行了设计计算,并用ANSYS软件进行强度分析,设计了一种新型开槽式薄壁柔顺关节。利用扭转作为主要变形方式时,该柔顺关节具有扭转角度可达到36°及轴线相对固定不易漂移的优点。根据关节设计尺寸选择65Mn为材料进行了加工,在三自由度并联机器人实验平台上进行了片簧式与开槽式两种柔顺关节的实验对比,实验结果表明设计的开槽式薄壁柔顺关节能够完成轨迹跟踪任务,且最大相对误差为6.05%,对比片簧式柔顺关节具有一定优越性。     

可重构仿生四足机器人倾覆后恢复机理与特性研究

农业环境起伏多变,边界模糊,大多呈非结构化分布。四足机器人在复杂农业环境中作业时,易出现因倾覆失去运动能力的情况,因此机器人需具备倾覆后自我恢复能力。传统四足机器人倾覆后恢复多数依靠腿部运动来实现,而可重构四足机器人,可通过躯干与腿部协调运动来实现倾覆后自我恢复。本文基于可重构躯干构型多变,得到了多种仿生形态的可重构四足机器人,规划了基于可重构理论的倾覆后恢复机理。对比倾覆后可重构机器人利用躯干拱起折叠和单侧翻转折叠两种恢复方式,分析R1型、R2型可重构四足机器人恢复的运动特性。利用软件ADAMS进行仿真,对仿真数据进行分析,证明了可重构躯干比刚性躯干更有效地减少了恢复过程中的冲击。最后设计样机并进行实验,验证机理实施的可行性与稳定性,研究结果表明其可降低实现静态自我恢复的难度。     

基于滑轮组和永磁弹簧的变刚度关节设计与控制

基于永磁弹簧、滑轮组和类行星轮系结构提出了一种新型的绳索驱动变刚度机器人肘关节。阐述了关节中应用的原理和样机整体结构设计。利用模型间静力学关系和雅可比矩阵推导得到关节的刚度模型,并给出了关节刚度随磁弹簧刚度和关节位置变化规律。以变刚度关节的动力学模型为基础,设计了变刚度肘关节的刚度与位置解耦控制器。通过变刚度关节的刚度和位置解耦验证实验,验证了解耦控制器的准确性。通过轨迹跟踪实验,给出了关节刚度变化对关节位置控制的影响规律。本文提出的绳驱变刚度肘关节具有更轻的质量与结构,较好的刚度变化性能与运动精度。     

一种拉线式蛇形机器人设计与研究

蛇形机器人属于智能机器人的一种。通过对生物蛇的身形结构、爬行方式进行分析,对超冗余自由度进行合理匹配。提出一种拉线控制关节蛇形机器人,选择十字轴关节俯仰和侧航两个自由度并简化关节结构,具备空间灵活性强,响应快,成本低等优点。对运动控制系统进行初步设计,本着模块化、轻量化设计理念,对关节和驱动单元模块进行结构设计,并利用CATIA软件对整体机进行虚拟装配姿态仿真,测出实现蛇形机器人三维运动的所需主要尺寸参数,对质量进行估算。     

柔顺关节并联机器人设计与实验

通过实验研究,运用结构参数化方法设计了满足要求的柔顺关节,用以代替传统运动副进行传动,建立了含有柔顺关节的柔顺并联机器人机构,并与控制系统和OPTOTRAK测量系统一起组成实验系统,开展柔顺关节并联机器人动力学建模、分析、设计、规划与控制等方面的系统研究.以3自由度柔顺并联机器人为研究对象,分别对用转动副传动的刚性并联机器人和用柔顺关节传动的柔顺并联机器人进行了实验研究.通过对实验数据的对比分析,各项实验指标相对误差均控制在允许之内,表明在并联机器人中用柔顺关节取代转动副的有效性.     

气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究

采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人。该机器人外形类似蜘蛛,利用腿部柔性关节在气压下的形变进行驱动。针对机器人腿部运动的特点,采用三角步态法,规划了机器人的行进和转弯步态,进行了仿真和实验。依据关节形变机理,建立了机器人运动学模型,确定了本体和足部位置关系,分析了机器人的步距、转角和整体速度,并通过实验加以验证。利用3D运动捕捉系统进行了机器人运动学实验,获得了机器人足部工作空间,分析了在不同气压、步频和负载条件下机器人的运动性能。实验结果表明,按照规划步态,通过气压控制系统协调腿部运动,机器人可实现前进、平移和转弯等功能。该机器人最大运动速度为100 mm/s,可负载能力为0.5 kg。     

模块化六自由度机械臂逆运动学解算与验证

针对六自由度模块化串联机械臂,进行了正运动学求解,并提出了该种臂型的运动学逆解计算方法.从机械臂的结构特点出发,采用DH法进行结构建模,得到了正运动学模型.在逆运动学求解过程中,针对纯代数法找不到该种臂型的独立不相关变量方程的问题,采用几何方法求解机械臂前3个关节、后3个关节使用反变换法求解,通过给出解的组合原则,得到了该机械臂逆运动学的完整解析解.为满足机器人系统编程和实际控制需要,基于VC++编制了MFC的运动学算法程序,验证了正逆运动学求解的正确性,为机械臂精确定位和运动规划提供了必要的前提条件.     

含复铰连杆机构的拓扑表示与其回路自动分

提出用"复合铰链零错位"分析机构结构的方法.先将复合铰链错位成相互距离为零的运动副,建立拓扑图和对应的关联矩阵,确定树及余树,通过矩阵计算求出基本回路矩阵,并进而求出完全回路矩阵.将错位的复合铰链重新合并,根据回路的权排序,再按回路的相互独立性和回路连通性找出优选的独立回路.研究表明,复合铰链零错位后绘制的拓扑图简洁、直观,关联矩阵的建立以及分析回路的算法通用,便于应用在计算机自动结构分析与运动分析程序中.     

双闭环控制采摘机器人机械手设计——基于PLC和CAN总线

采用双闭环控制系统,基于PLC运动控制器和CAN总线,提出了一种新的采摘机器人机械手关节分布式控制方案,并采用模块化思想设计了机器人关节电机控制系统、CAN模块及PLC控制器。采摘机器人机械手的关节采用谐波减速器进行调节,利用霍尔传感器和红外线传感器及光电编码器进行图像、转速和障碍物触碰的信号采集,采集信号利用A/D转换器将数据传输给PLC控制器。机械手的执行末端采用CAN总线控制,并利用变频器传递的通信信号,实现了末端执行器的并行控制,使多机械手处于最佳动作状态。最后,在双闭环控制方案的基础上加入了前馈控制环境,利用前馈控制环节可以实现对系统的实时控制,改善了系统的静态性能,实现了机械手对实际采摘位置的有效追踪。实验和仿真模拟表明:位移时间曲线平滑无突变,表明机器人在运行过程中平稳、无振动,机器人工作的可靠性较高,对路径的追踪精度较高。     

大空间运动3-RRRU并联机器人运动学标定与误差分析

并联机器人具有高速、高刚度和大负载等明显优势,被广泛应用到农业和工业领域,但多关节导致该类机器人控制精度不高。针对大空间运动3-RRRU并联机器人的运动学建模和误差标定方法展开了系统、深入研究。综合应用DH法和空间矢量法建立了机器人的运动学模型,在此基础上,借助偏微分理论推导并建立机器人的误差模型;应用激光跟踪仪进行不同轨迹下机器人的空间位置数据采集,对一般遗传算法进行改进,以等步距搜索策略实现主要遗传算子的优化,并通过全局数值寻优获取机器人的误差补偿数据,完成标定和补偿工作。实验表明：基于直线标定方式,补偿后直线轨迹跟踪误差控制在0.14～1.34mm,但不适用于曲线轨迹补偿,其实测补偿后的最大误差高达5.08mm。曲线轨迹标定精度高于直线轨迹标定,补偿后将直线和曲线两种路径下的最大误差分别降低至1.18mm和1.56mm。该标定方法自动化程度高,适用于含有大量关节并联机器人的误差标定工作。     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

基于力传递模型的连续体机器人驱动误差补偿研究

针对绳索传动系统中的非线性摩擦、驱动线伸长及关节间耦合效应导致的连续体机器人控制精度较低的问题,提出了一种考虑非线性摩擦的连续体机器人误差补偿方法。基于虚功原理构建包含关节间耦合作用的连续体机器人静力学模型,分析不同预紧力、不同包角等参数对绳-轮传动系统力传递效率的影响规律,并基于改进的Capstan方程建立包含绳索弯曲刚度及非线性摩擦的力传递模型,提出一种基于力传递模型的驱动误差补偿方法,通过运动实验对所建模型及控制方法进行验证。结果表明,补偿前后连续体机器人运动控制精度得到明显提高,平均位置误差由补偿前5.94 mm降低至补偿后3.15 mm,补偿率达46.97%。     

采摘机器人执行器气动柔性关节安全性设计

针对气动柔性关节易发生气体泄漏、失压等安全问题,设计了使用多个气囊驱动的安全柔性关节,从而提高了气动柔性关节在实际使用中的安全性.建立了安全柔性关节的静态数学模型,设计了相应的控制系统.并且设计了具有2个安全柔性关节的机器人单根手指.     

茄子收获机器人机械臂避障路径规划

提出了一种茄子收获机器人机械臂在笛卡尔空间的避障方法.将空间障碍物等效为可以用数学建模的圆柱扇环,将三维空间的路径规划简化为二维,提高了控制的实时性;将障碍从工作空间转换到C-空间中,使对机器人的控制直接作用于关节,避免了使用雅可比逆阵进行复杂的坐标转换.将C-空间映射到图像矩阵中,通过对图像进行适当的处理,规避了在使用A*算法寻优时可能出现的失败.实验结果表明,该避障路径规划方法计算量小,实时性好,适合自然生长状态下茄子的自动收获.