重载工业机器人控制关键技术综述

本文围绕影响重载工业机器人控制性能的关键技术进展进行了综述。首先针对目前重载工业机器人运动规划中关于规划空间选取、基函数选取、运动规划最优性问题及其所对应的算法进行了分析。然后分析了重载工业机器人所存在的不同类型的柔性环节,并对其相应的控制算法进行了分类综述。最后给出了相应结论。     

煤矿巷道冲尘机器人关键技术研究

巷道冲尘机器人可有效解决煤矿巷道积尘问题,但目前尚未有相对成熟的产品能够实现“积尘自动监测-自主/半自主移动-自适应冲尘作业”。分析了国内外研发的轮轨式巷道冲尘装置、防爆洒水车、整车底盘外加液压机械臂的隧道冲尘车3种冲尘装备的研究现状,指出轮轨式巷道冲尘装置不含动力系统,巷壁积尘的冲尘效果受到限制;防爆洒水车自带动力,能够实现无轨长巷道全断面粉尘降尘,但喷水面较广,无法处理巷壁及管线等局部积尘严重区域;隧道冲尘车可解决长距离隧道积尘问题,但仍需人工驾驶及操作,且无法实现隧道积尘监测及自适应冲尘。通过上述分析,指出巷道冲尘机器人为了实现“积尘自动监测-自主/半自主移动-自适应冲尘作业”,需要从积尘监测、冲尘装置结构设计与控制、冲尘模式优化策略等方面进行研究。并指出上述研究面临的主要技术难题不仅包括防爆安全设计、井下精确定位、长距离无线通信等煤矿机器人共性难题,还包含积尘监测、自适应冲尘、车臂协同作业等巷道冲尘机器人特性难题。针对巷道冲尘机器人特性难题,提出了相应的关键技术：(1)研发基于称重法、激光法、图像法相结合的多传感器融合的巷道积尘监测技术,实现煤矿巷道积尘长期监测及冲尘效果动态评...     

煤矿辅助运输机器人关键技术研究

针对煤矿辅助运输机器人移动速度较快、行驶路线多变、行驶路面情况复杂等特殊工况,给出了煤矿辅助运输机器人的结构形式和技术架构:采用无驾驶室的结构设计,以自动驾驶系统为控制中枢,以轮式防爆线控动力底盘为移动平台,通过可更换的多种上装载具,实现不同物料在井下运输的无人化。针对煤矿辅助运输机器人的环境感知、定位导航和路径规划三大功能,提出了相应的解决方案:①矿井低照度环境下的机器视觉增强及感知融合技术:通过深度相机红外成像技术和平面激光雷达探测技术相结合的方式实现机器人的环境感知功能;②煤矿井下受限空间内的无线通信及定位技术:利用物联网无线通信定位和即时定位与地图构建(SLAM)技术相结合的方式实现机器人执行运输作业时的主动精确定位;③矿井复杂地质条件下的路径规划及避障机制:利用最短路径搜索算法和动态窗口算法分别实现该机器人的全局路径规划和局部路径规划功能。     

煤矿救援机器人研究现状及发展趋势

介绍了煤矿救援机器人动力系统、防爆设计、多参数监测及通信系统等的国内外研究现状及应用情况,指出煤矿救灾机器人存在续航能力有限、行走控制距离短、防爆材料质量大、信息处理与传输可靠性差等问题。展望了煤矿救灾机器人的发展趋势:研发适用于煤矿领域的新能源电池是煤矿救援机器人动力电源的发展趋势之一;研发具有自主行走、定位与路径规划的智能化机器人是未来煤矿救援机器人发展的趋势;防爆材料轻量化、多源信息智能融合、无线加有线的通信方式也将是煤矿救援机器人智能多元化发展的方向。     

基于数据驱动的冗余机器人末端执行器位姿控制方案

模型未知的冗余机器人执行任务的过程中会产生较大的控制误差, 其末端执行器的位置与姿态也需要针对不同任务进行修正. 为解决该问题, 提出一种基于数据驱动的冗余机器人末端执行器位置与姿态控制方案. 该方案使用在线学习技术, 能够应用于模型未知的冗余机器人控制. 同时引入四元数表示法将控制机器人末端执行器姿态问题转化为基于四元数表示的控制方法. 随后, 设计一种神经动力学求解器对所提方案进行求解. 相关的理论分析、仿真及对比体现了所提方案的可行性、有效性与新颖性.     

一种视觉引导的作业型飞行机器人设计

针对作业型飞行机器人执行抓取、投放等作业任务时飞行机器人与被抓取目标之间难以相对定位的问题,提出了一种视觉引导的作业型飞行机器人设计方法.首先,介绍作业型飞行机器人系统的整体机构设计,建立飞行器和空中作业装置的运动学和动力学模型.然后,根据针孔成像模型,在ArUco标记尺寸已知的前提下,通过机载的单目摄像头检测被抓目标上的ArUco标记,利用n点透视(PnP)算法解算摄像头位姿,进而利用摄像头位姿信息对飞行器和作业装置进行分级控制.最后,通过静止实验和户外悬停实验验证了位姿估计算法的有效性,并通过自主抓取直径2 cm、质量100 g的管状物体进一步验证视觉引导的有效性和合理性.     

船体分段位姿找正对接系统--一个多机器人协调操作系统的实现

该文研究多机器人协调理论在尺寸多变、重量庞大的船体分段对接中的应用,提出了基于多台3自由度移动机器人协调操作的船体分段位姿找正对接系统的结构、组织和协调操作方法.根据分段对接工艺特点,把位姿找正过程抽象成刚体小位移运动模型,建立了基准段、对接段和机器人个体坐标系转换关系,给出了位姿找正过程中的机器人的关节运动轨迹规划算法.     

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。     

煤矿巷道悬线巡检机器人结构设计及仿真

针对现有的煤矿巷道轮式或履带式巡检机器人结构及控制复杂、可靠性低,轨道式巡检机器人成本高、占用巷道空间资源等问题,设计了一种不受井下巷道复杂地理环境和人员及设备分布影响的煤矿巷道悬线巡检机器人。重点介绍了该机器人的结构设计,在ADAMS软件中建立了机器人虚拟样机模型,并对其水平行走且过障、上坡且过障、下坡且过障3种运动状态进行了仿真分析。结果表明:该机器人在水平沿线方向始终能够保持匀速直线运动;在竖直方向和水平侧摆方向上有波动,但均在允许范围之内;在3种运动状态下的位移变化比较平稳。仿真结果验证了该机器人结构设计的合理性。     

基于6DOF机器人的能耗最优轨迹规划

为研究MOTOMAN-UP6机器人的运动学和轨迹规划,该文采用标准D-H建模方法对该机器人进行运动学建模。基于该机器人的特性,采用了一种可易编程的位姿分离法进行逆运动学分析;因逆解的不唯一性,为使得轨迹的能耗最优,提出关节加权系数对轨迹点之间的关节变量进行处理后,得到最优轨迹;同时为减少机器人在运行中的冲击和振动,采用七次多项式对最优轨迹进行轨迹规划,得到了机器人各关节下的位移、速度、加速度、冲击的仿真曲线,曲线光滑且连续,同时也表明了在关节冲击方面优于五次多项式的规划。     

无人仓多搬运机器人协同作业轨迹自动控制研究

由于无人仓多搬运机器人协同作业线路较为复杂,导致协同作业轨迹控制难度增加,为了保证多搬运机器人能够按照规划路线执行搬运作业,提出了无人仓多搬运机器人协同作业轨迹自动控制方法;采用栅格图建模法,结合无人仓内货架的实际分布情况,建立无人仓环境场景;从组成结构、运动学以及动力学3个方面,构建搬运机器人的数学模型;遵循就近原则分配多机器人搬运任务,规划多搬运机器人的协同作业轨迹,根据多搬运机器人实时位姿的自动检测结果计算控制量,利用作业轨迹自动控制器的安装与运行,完成无人仓多搬运机器人协同作业轨迹的自动控制任务;实验结果表明,在该方法应用后,多搬运机器人在无人仓中的作业轨迹与规划轨迹基本相同,计算得出的平均位置控制误差和姿态角控制误差分别为2.27 cm和0.05°,搬运机器人的碰撞次数能被控制在规定范围内,实际应用效果好。     

机器人焊装工位的可视化仿真研究

由于机器人焊装工位仿真对象复杂以及传统仿真方法难以建立其准确的仿真模型,本文提出了基于EM-Engineer仿真平台的机器人焊装工位可视化仿真系统.研究了仿真建模、焊接工序规划和机器人运动轨迹规划等关键技术.最后利用该系统实现了某车型总成线机器人工位的可视化仿真.通过可视化仿真实现了该工位的内容规划和生产过程仿真,并依据仿真结果得到了优化方案.     

空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法

提出了基于立体视觉的空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法,包括图像处理与特征提取、3D 重构及位姿测量、自主规划与控制等．同时,还建立了一套仿真系统,可进行包括图像采集、位姿测量、追踪星 GNC、空间机器人规划与控制、航天器动力学计算等在内的闭环仿真．仿真结果验证了算法的有效性．     

煤矿巡检机器人设计及模糊控制研究

基于煤矿井下回采工作面作业环境巡检需求,研究了一款基于高精度磁导航传感器和RFID射频识别模块的煤矿巡检机器人.同时,针对该机器人在复杂环境下的轨迹跟踪问题,对该机器人进行了数学分析和运动学建模,利用位置误差e和误差变化率ec作为输入,左右轮速度差ΔV作为输出,提出了一种双输入-单输出的模糊控制方法,并在Matlab环...     

深海遥控重型作业机器人发展现状与展望

深海重型作业机器人是海洋资源开发的必要装备之一,遥控作业是当前面对多样化深海作业任务的主要方式。文章在介绍深海遥控作业机器人的分类、性能及功能结构的基础上,结合海底挖沟铺设作业工况,对以自行走的挖沟机、拖曳式铺设犁、悬浮喷射作业机器人为代表的深海遥控作业机器人产品性能进行了对比分析,为不同应用场合的设备选用提供了依据;并在分析现有传感通信和控制、供能和整机集成技术的基础上,对其未来智能化分布式控制、高效用能及安全供电、轻量化多功能集成设计的发展趋势进行了展望。最后,结合我国深海遥控作业机器人技术体系的现状,对其未来的发展提出了相应的建议。     

基于3D目标跟踪算法的机器人手眼协调研究

为了适应环境的复杂性和多样性,增强机器人抓取任务的鲁棒性,本文从3D目标跟踪算法出发,提出了一种实现机器人手眼协调的新方法。该方法采用改进的基于区域的位姿追踪算法同时跟踪机械臂夹持器和目标物体的位姿,根据二者的相对位置关系引导机械臂运动。对基于区域的位姿跟踪算法,本文提出根据局部区域分割线构建分割模型并改进模型颜色似然的线性更新方式,使得算法能够准确跟踪机械臂夹持器与目标物体。基于ROS平台搭建了一套仿真实验环境,并分别在仿真环境和真实环境下验证了此手眼协调系统的有效性和鲁棒性。这种方式不仅不需要手眼标定,更接近于人类“Sensor-Actor”带反馈的闭环控制方式,同时赋予了机器人足够的灵活性来应对弹性的任务和多变的环境。     

多仓储机器人协同路径规划与作业避碰

针对多仓储移动机器人协同作业问题,提出了一种基于全局规划和局部调整的路径规划方法,以获得较短、无碰、避障的可行路径.在路径规划时根据当前节点到终点的距离和局部路径与起点至终点的欧氏路径的夹角设计新启发式函数,驱使机器人沿最短路行进;根据可选节点的数量提出避障规则,提高避障能力;依据路径长度对信息素进行比较更新,以精炼搜索空间、提高收敛性能,对蚁群算法加以改进寻找各自最优路径.在作业避碰时设计避碰规则有效解决仓储机器人间作业碰撞,找到最优或近优路径组合.实验结果表明了本方法的可行性、有效性.     

基于PLC的煤矿用巷道修复机电控系统设计

为提高煤矿用巷道修复机工作效率,增强电气系统抗干扰能力,增加电控系统稳定性,匹配巷道修复机所使用的各项功能,设计了一种基于西门子S7-200 SMART PLC的煤矿用巷道修复机电控系统,详细介绍了电控系统的基本组成及控制功能.实际使用结果表明,该电控系统满足煤矿用巷道修复的各项使用要求,运行稳定可靠,故障率较低,有较...     

水下六足机器人及其运动规划研究现状

水下六足机器人具有丰富的步态样式和冗余的肢体结构,凭借其离散式的地面支撑和对水下障碍、礁坪等复杂特殊地形的极强适应性,具有广泛的应用前景。本文通过充分的文献调研和总结,对目前水下六足机器人平台发展现状进行了综述。针对水下六足机器人的海底爬行能力,分别从稳定性判据、路径规划与自适应行走方法 3项关键技术进行了分析和总结;在稳定性判据方面,分别针对水下六足机器人静态稳定性判据与动态稳定性判据进行阐述;在路径规划方面,在目前典型陆地六足机器人路径规划方法的基础上,结合水下六足机器人独有的运动特性进行阐述;针对水下六足机器人自适应行走方面,分别阐述传统自适应调整方法与目前基于深度强化学习的方法进行介绍;最后对这些关键技术的未来发展趋势进行了展望。