毫米级微装配机器人控制系统设计

介绍了一种配备了压电微夹钳的毫米级微装配机器人.根据微机器人系统的功能要求设计了其硬件和软件控制系统.控制硬件以32位ARM核处理器为核心组成数模混合系统,使用了两片CPLD构建了微马达控制器和微夹钳控制器.控制软件是基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II而设计的多任务系统,包括微马达的控制及与计算机视觉系统之间通信协议等.实验结果证明整套控制系统能满足微装配应用要求.     

基于微小型移动机器人的微操作系统

提出一种新颖的基于宏/微双重驱动微小型移动机器人的微操作系统.机器人在宏运动状态下为典型的轮式机器人,在微运动状态下为尺蠖运动机器人.将集成微夹持器的微操作器安装在机器人移动定位平台上用于实现微操作任务.为了自动导航机器人完成微操作任务,设计外部智能视觉系统.视觉系统分为全局视觉与显微视觉两个子部分,机器人在全局视觉的导航控制下以宏运动状态实现大范围的粗定位,并使机器人微夹持器末端准确地进入显微镜视场.在显微视觉的导航控制下以微运动状态实现小范围、高精度的精定位,并完成微操作任务.试验表明,提出的基于微小型移动机器人的微操作系统能够成功地实现微小零件的夹取与装配.     

面向光学精密装配的微操作机器人

为完成复杂的光学精密装配任务,开发一种多传感器混合控制的宏/微结合微操作机器人系统.在分析光学装配原理的基础上,阐述机器人系统的组成.研制由交流伺服电动机驱动的6自由度并联机构和由压电陶瓷驱动的5自由度柔性铰链机构,分别实现光学器件的粗定位及精定位,由压电陶瓷驱动的二级杠杆放大机构实现光学器件的可靠夹持.建立包括位姿检测、显微视觉、激光损耗检测及力检测的多传感器控制系统,根据传感器采集的位姿信息、视觉信息、损耗信息及力信息协调控制宏/微定位工作台精确调整光学器件的位置和姿态,实现装配自动化.试验表明,开发的面向光学精密装配的微操作机器人能够成功地完成光学器件的精确装配.     

一种用于微器件装配的系统设计与研制

首先概述了国内外微装配系统的研究现状,在分析微装配系统的特点和功能需求基础上,提出一种基于计算机视觉伺服控制的微装配系统设计方案,详细描述了系统中精密三维微定位工作台、SMA微夹持作业工具以及视觉伺服控制系统等关键技术的解决方案,并以直径为几百微米级的典型微轴孔的装配为目标开展各项关键技术的试验研究.     

面向微装配的显微视觉伺服

将基于显微视觉伺服的机械手的装配位姿调整归结为使其末端执行器上三点运动到指定空间三点的问题.规定其中一点沿直线运动到目标位置,其余两点则以绕该点旋转的方法运动到它们对应的目标位置,避免部件的运动干涉与碰撞,并确保末端执行器始终在显微镜的视场中.以机械手的路径规划为基础,给出基于距离和角度的图像特征差的估计方法,定义并建立基于图像特征差的图像雅可比矩阵以及机械手的运动模型.提出基于图像误差与控制信号综合优化的具有图像延迟系统的最优控制算法,基于动态视觉伺服控制策略建立比例控制与最优控制综合的视觉伺服控制结构,通过一个误差开关在不同的控制器上切换,进行直线位姿调整和动态目标跟踪试验.结果表明,所研究内容正确可行,系统定位精度保持在两个像素以内,具有较好的实时性,能满足微装配性能指标的要求.     

图像反馈机器人视觉伺服系统理论与实验研究

对机器人视觉伺服系统的研究是机器人领域中的重要内容之一,其研究成果可应用在机器人自动避障、轨线跟踪和运动目标跟踪等问题中。本文分析了基于图像雅克比矩阵的机器人视觉伺服方法的基本原理,采用了基于图像的视觉伺服方法,直接利用图像特征来控制机器人运动,构建了自由度GRB-400工业机器人图像反馈视觉伺服系统。采用该系统进行了机器人跟踪两维平面运动目标的实验,结果验证了该方法的有效性。     

无线遥控超微型云台的研究与实现

机器人视觉伺服控制是机器人研究领域的一个重要方向,特别是针对微小型机器人的视觉伺服控制领域,而微型云台是实现微型机器人视觉伺服控制的主要载体,由于系统云台造价高、体积大、结构复杂等问题,针对微型机器人视觉伺服控制系统的弊端而设计研制一种超微型云台满足需求,提出一种基于单片机控制驱动一体化的二自由度微型云台,并基于射频调制解调技术的对超微型云台进行无线遥控控制。     

基于显微视觉的MEMS微装配系统研究

提出一种基于显微视觉伺服控制的MEMS器件微装配系统设计方案,描述了系统样机及关键技术模块的研制方案。以微型光谱分析仪极板粘接为示范应用开展了实验研究,表明该系统适用于典型MEMS芯片的微对准和封装研究。     

基于视觉伺服的3D微定位控制

分析了基于全局显微视觉的视觉伺服定位控制方法。推导了G型体视显微镜的成像模型,结合图像视觉伺服和立体视觉理论,建立了3D微定位视觉伺服控制模型。在自主研制的微操作系统上进行了3D视觉伺服微定位试验,并分析了影响视觉伺服定位控制精度的误差因素,通过标定获得重要的控制参数。试验结果表明:采用3D微定位伺服控制模型的定位误差为±(3～4)μm,定位精度和稳定性能满足微定位的要求。     

微夹钳技术发展现状及应用研究

微夹钳是最典型的微执行器,它可以充当机器人手爪,配合各种多自由度驱动装置成为微机器人。微夹钳单元技术与微装配、微操作、微焊接、微封装等系统技术紧密地联系在一起。由于它的重要性和广泛的应用,近年来已成为微机械领域研究的热点。本文首先介绍了微小领域中物体夹持的物理背景,阐述了粘附力的规律和解决方法;详细介绍了已有的微夹钳的研究进展状况,结合作者的科研工作,阐述了有代表性的几种微夹钳的工作原理及工艺制作方法;指出了微夹钳的发展和功能优化方向,以期对微夹钳的研究工作起到一定借鉴作用。     

基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法及应用

混联机器人机构兼有并联机构刚度好、定位精确及串联机构工作空间大、控制解耦性好等两方面的综合性能及优点,其设计的关键是基于操作器方位特征集的串(并)联自由度数目和顺序分配、组合方式及新型少自由度并联机构模块的构造及其性能评价.提出基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法,提出单点作业、多点协同作业二类混联机器人的定义、符号表示方法并分析其优缺点;给出按这二类作业方式设计3～5自由度混联机器人分别可能构造出的全部结构组合方案、设计原则和步骤;据此,创新设计出多种新颖结构的混联机器人机构实例,并研制单喷枪、三喷枪协同二款五轴混联高速喷涂机器人,比较这二种结构的性能优劣.研究为混联机器人机构的机型设计提供了一种一般性方法,为复杂先进装备的创新研制提供了机构设计的基础.     

基于模糊优化辨识模块化机器人关节动力学参数

为了能更为合理、准确地辨识出机电结构系统结合面的等效动力学参数,提出了基于模糊优化的辨识方法。以9自由度模块化冗余机器人为研究对象,采用模糊优化方法辨识了机器人关节面等效动力学参数,并利用所识别的参数及机器人各部件有限元模型建立了机器人整机动力学模型,该模型的模态参数与试验结果具有较好的一致性,表明所提出的辨识方法具有较高的辨识精度,是合理和可行的。     

工业机器人机械手设计

本文将设计一台四自由度的工业机器人,用于给冲压设备运送物料。首先,本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构,然后选择合适的传动方式、驱动方式,完成机器人机械手的设计。     

Conceptual design and kinematic analysis of a novel parallel robot for high-speed pick-and-place operations

This paper deals with the conceptual design, kinematic analysis and workspace identification of a novel four degrees-of-freedom (DOFs) high-speed spatial parallel robot for pick-and-place operations. The proposed spatial parallel robot consists of a base, four arms and a 1½ mobile platform. The mobile platform is a major innovation that avoids output singularity and offers the advantages of both single and double platforms. To investigate the characteristics of the robot’s DOFs, a line graph method based on Grassmann line geometry is adopted in mobility analysis. In addition, the inverse kinematics is derived, and the constraint conditions to identify the correct solution are also provided. On the basis of the proposed concept, the workspace of the robot is identified using a set of presupposed parameters by taking input and output transmission index as the performance evaluation criteria.     

仿人机器人SJTU-HR1及其运动分析

SJTU-HR1是由并联关节的组成的34个自由度新型仿人形机器人,根据人体生理结构设计了其各个关节。把各个并联机构关节作为一个模块,定义了关节的输出角度和输入角度,建立仿人形机器人整体坐标系,建立手臂和腿末端的位置正反解模型。为仿人机器人运动规划,动作设计以及控制系统建立奠定基础。     

压电精密驱动柔性微夹钳设计

为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持,建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先,利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳,利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着,以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型,即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后,利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程,得出系统的自然振动频率。最后,通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证,此外,利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明:跟踪控制结果误差为2.4%;放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作,其工作精度可达微米级别甚至纳米级别,符合设计要求。     

球形机器人轨迹跟踪算法

典型的动态轨迹跟踪算法针对非完整移动机器人提出了一种系统框架,并且在模拟实验中展现了良好的跟踪性能。然而,该算法在2自由度摆球形机器人系统中并未同时实现位置和姿态的收敛。讨论了一种实用的球形机器人轨迹跟踪控制算法．着眼于位置与姿态的同时收敛。受跟踪引导模式的启发．提出了一种适用于球形机器人轨迹跟踪控制的模糊自适应控制方案,并通过MATLAB对提出的轨迹跟踪方法进行了有效性验证。     

拟人机器人手的设计与实现

与传统自由度过多但控制复杂、体积较大的灵巧手不同,设计了一种新型的机械手TH-1。介绍了该手的设计思路、抓取功率分析过程及微型驱动控制系统等。该手上的电动机、减速器、驱动与控制电路等完全嵌入手掌,在外观与尺寸上均与人手相似,具有质量小、自由度少、控制简单、结构紧凑、适应性强等特点。试验结果表明,TH-1手适合用于拟人机器人上,以完成伸展、握拳和稳定抓取常见物体等动作。     

拟人机器人自由度的分析

以采用最常见的下肢关节配置方案的拟人机器人为例进行了自由度的计算，并且对只考虑某一个方向转动关节的模型也进行了自由度的计算。利用Adams软件引入了一种简单有效的自由度验证方法，并对计算结果以及拟人机器人下肢各关节的耦合现象进行了分析，该方法亦适用于采用其它关节配置方案的似人机器人。