高压线路巡检机器人机械臂闭链机构的运动学分析

针对传统高压输电线路巡检机器人作业范围小,越障效率低以及不能跨越引流线的问题,提出了一种三臂式高压输电线路巡检机器人,该机器人前、后机械臂采用平行四边形结构设计,属于局部含有闭链机构的混链机构。在分析了机器人前、后机械臂结构特点的基础上,提出了局部含有闭链机构的机构运动学方程的建模方法。借助MATLAB软件对机械臂的越障空间进行了分析,利用ADAMS软件对机器人在线路行走及跨越引流线过程进行了仿真,验证了机械臂结构的合理性,并通过试验验证了具有局部闭链机构的三臂式机器人可以更好地跨越线路障碍。     

面向UAV的绳驱动空中机械臂动力学建模分析北大核心

为解决空中机器人与外界环境交互作业问题,设计了一种面向UAV的绳驱动空中机械臂系统,并研究了其系统建模方法。首先,设计了绳驱动空中机械臂的虚拟样机,详细地介绍了其机械结构、工作原理以及绳索解耦方式;其次,综合牛顿-欧拉法、拉格朗日法、旋量理论、空间算子代数理论4种方法推导出了整个系统的正反向运动学模型和正反向动力学模型;最后,通过仿真算例对绳驱动空中机械臂的性能进行了模拟评估。结果表明,所建立的绳驱动空中机械臂系统模型是合理有效的,能较为准确地反映系统的动态特性,所提出的综合建模方法对其它多刚体系统的建模具有一定的参考价值。     

绳驱并联机器人实时正解数值算法

提出一种求解冗余约束绳驱并联机器人实时正解的数值算法。建立八绳六自由度绳驱并联机器人运动学模型,并对其机构进行参数化,根据矢量封闭原则计算绳索长度。由反解方程导出非线性正解方程组,取运动平台的初始位姿作为初值,运用Dog Leg算法迭代求出位姿正解。取圆曲线作为运动平台的运动轨迹,实时仿真实验表明该算法可完成精确的位姿正解运算。实验结果显示5种位姿组合平均耗时均小于0.07 ms,满足求解绳驱并联机器人位姿正解的实时性要求。     

移动焊接机器人结构设计与路径规划

针对大型焊接件生产中存在的大范围复杂焊缝以及狭窄空间内部焊接条件恶劣的情况,设计一种新型移动焊接机器人。采用3个独立驱动的OMNI全向轮作为机器人的移动机构,同时在移动机构底盘安装支撑轮及可调节磁吸附装置,并设计五自由度机械臂作为焊接执行机构;对机器人移动平台与机械臂分别进行运动学分析以及整体运动学分析,推导出机器人末端执行器与驱动轮、机械臂关节角位移之间的函数关系;针对曲率变化较大的焊缝难以焊接的问题,提出基于改进粒子群优化算法的多段直线逼近曲线的移动平台路径规划算法,并用MATLAB仿真验证了该路径规划算法可以完成任意曲率曲线的焊缝离散化,在满足焊接精度的前提下,能够减少焊缝离散点数目,提高了移动平台路径规划的效率。     

管廊消防巡检机器人设计与分析

针对综合管廊的安全运维与管理的需求,设计一种集巡检和消防灭火功能于一体的管廊消防巡检机器人。该机器人由机器人本体、灭火器、机械臂和智能检测系统构成。介绍了机器人的总体结构及功能,建立了机械臂的D-H坐标系,对机械臂进行正、逆运动学分析。运用蒙特卡洛法及MATLAB软件对机器人机械臂的工作空间进行仿真与分析,得到不同情况下的机械臂末端的工作空间,仿真结果验证了机械臂可灵活满足机器人的工作要求,为后续管廊消防巡检机器人的控制工作和优化设计奠定了基础。     

名优茶并联采摘机器人逆向运动学分析

结合并联机构的特点及茶叶采摘技术,创新性地开展了名优茶并联采摘机器人的研究。建立了机器人逆向运动学模型,利用齐次坐标变换计算出机器人运动学逆解;并在给定运动激励下,在MATLAB中绘制出动平台驱动臂的转角曲线。运用Pro/E绘制机器人三维图并导入ADAMS,建立了机器人虚拟样机模型,通过仿真获得驱动臂的转角曲线。上述两种方法的比较结果验证了机器人逆向运动学问题计算的正确性,同时表明了ADAMS仿真结果具有较好的精确性,并在此基础上制作了机器人原理样机。     

工业机器人机械结构模块化参数化设计

为提高工业机器人的设计效率,对工业机器人进行功能分析及模块划分,将工业机器人分为4种通用模块,分别是执行器模块、旋转臂模块、俯摆臂模块及底座平台模块4种模块;建立模块之间的3种标准连接接口;对工业机器人各模块进行三级参数化设计,一级参数驱动机器人总体结构尺寸,二级参数驱动机器人各模块的结构尺寸,三级参数驱动机器人各零件的结构尺寸,制定机器人产品序列相关参数;最后利用该方法完成一种搬运机器人的三维模型设计,通过D-H方法建立了搬运机器人运动学模型及方程,推导出机器人的运动学正解及逆解,对模型机械结构的合理性和可达性进行了验证,并为机器人轨迹规划及实时控制提供了理论基础。用户进行机器人产品设计时,只需要根据实际工况选择合适的产品系列及模块种类并按照一定的方式进行模块装配,即可完成机器人设计,有效缩短了机器人设计周期和设计难度。     

基于关节约束的双臂机器人协调控制器研究

为提高双臂机器人运动的协调性,设计了协调控制系统,并对机械臂运动轨迹跟踪误差和角速度变化进行仿真验证。创建了双臂机器人三维模型,利用相对雅克比矩阵推导机械臂末端执行器运动轨迹误差公式,设计机械臂运动协调控制器。根据层次优先的任务结构推导机械臂关节角速度方程式,设计双臂联合避免关节限制策略,通过优先级协调双臂运动。为验证关节约束条件下机械臂运动的协调性和稳定性,采用MATLAB软件对机械臂运动轨迹跟踪误差和角速度变化进行仿真,并与无关节约束条件下输出效果进行比较。结果表明：在无关节约束条件下,单臂机器人运动轨迹误差较小,但是双臂机器人运动轨迹跟踪误差较大,双臂产生的角速度峰值较大;在有关节约束条件下,单臂机器人运动轨迹误差较大,而双臂运动轨迹跟踪误差较小,双臂产生的角速度峰值较小。采用联合关节限制策略,可以提高机械臂运动的协调性,降低机械臂角速度产生的峰值,机器人运动相对稳定,效果较好。     

驱鼠机器人的控制系统的研制

将电子驱鼠器功能与移动机器人结合起来,研制了驱鼠机器人.设计了驱鼠机器人的机械结构和驱鼠功能模块,利用单片机和红外传感器开发了具有避障和沿墙跟踪功能的机器人控制系统,并将模糊控制方法引入到机器人避障控制中. 该系统结构简单、易于控制,实验证明该系统实现了预定功能.     

六足步行机器人腿机构绳传动系统设计与仿真

针对典型步行机器人腿机构绳传动系统的缺点,设计了一种简单、小巧、实用的新型绳传动系统,并将其应用到六足步行机器人腿机构上,由此完成了六足绳传动步行机器人整机的设计.运用ADAMS软件建立了虚拟样机,并选择典型的三角步态进行整机运动仿真,仿真结果表明所设计的步行机器人虚拟样机可按给定步态进行直线行走和转弯.在此基础上,制作了真实样机.经测试,机器人行走时机体稳定,且速度较快.为进一步研究六足绳传动步行机器人奠定了基础.     

一种绳驱动并联清洗机器人的控制策略研究

绳驱动并联清洗机器人可以有效地代替人工实现对外墙的清洗作业，但是由于其自身受到外界干扰较多，而且机器人的所有动作都要确保绳索处于张紧状态，因此与传统的并联机器人相比，研究绳驱动并联清洗机器人的运动控制问题更具有挑战性。考虑实际使用过程中系统受到的外力干扰问题,通过牛顿-欧拉法和拉格朗日方程建立包含绳索弹性的系统动力学模型；结合PD前馈控制和传统的PID控制，设计包含绳索张力优化算法的控制律，通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制算法的稳定性；通过数值分析验证了绳驱动并联清洗机器人在受到外力扰动时的理论跟踪性能，证明了该控制算法的有效性。     

Development of a CAD/CAE/CAM system for a robot manipulator

In this study, a CAD/CAE/CAM integrated system for a robot manipulator was developed. The D–H (Denavit–Hartenberg) coordinate transformation method was used to perform the robot position analysis, according to the transformation matrices, we used Matlab to calculate the robot position analysis. Pro/ENGINEER (Pro/E) was used to construct the robot manipulator parametric solid models, Pro/Mechanica was used to simulate the dynamic simulation and working space, MasterCAM was used to implement the cutting simulation, and the prototype was manufactured using a CNC milling machine. Finally, a CAD/CAE/CAM integrated system for a robot manipulator was developed. A demonstration example is presented to verify the design, analysis, and manufacture results (the demonstration is located at the website of http://www.sparc.nhit.edu.tw/jennifer/robot1/index.htm). This integrated system not only promotes automation capabilities for robot manipulator production, but also simplifies the CAD/CAE/CAM process for a robot manipulator. This integrated system is useful for developing a supplementary teaching tool for practical computer-aided mechanism design courses.     

并联机器人智能输入写字功能的设计

出于教学和实验的目的,利用Lab VIEW编程软件为两自由度并联机器人开发了一套平面写字功能。所选用的并联机器人为平面五杆机构,两个电机轴轴心相互重合,固定杆长度为零,利用平面几何知识,并联机器人的正逆解可很容易算得。机器人所写文字通过人工手动输入,经过选择性线性插值、去点处理、坐标系转换,将图片坐标系下的坐标点转化为机械手坐标系下的坐标点。为保证机器人在写字过程中的平滑性,采用了连续三次样条快速迭代的算法规划机器人的加速度轨迹曲线。     

基于Simulink Real-Time的dVRK机械臂实时控制研究

为提高dVRK外科机器人控制系统的快速响应性和控制实时性,基于D-H参数模型建立dVRK 七自由度机械臂的连杆模型。计算机械臂的齐次变换矩阵,为机械臂的实时控制提供参考。基于MATLAB/Simulink建立机械臂各关节的PID位置控制半实物仿真模型,实现机械臂末端的实时定点控制。结果表明：所提系统可实时准确地完成外科机器人机械臂的数据采集和相关控制算法的验证。     

基于双目视觉的机械手捡球机器人设计

为解决人工捡球费力费时的问题,设计了一种双目视觉识别定位、机械手捡拾和自主避障的轮式智能捡球机器人。该机器人通过双目摄像头和Lab VIEW平台,实现对小球图像的实时采集与处理;运动控制系统采用以STM32F411为主核心的NUCLEO-F411RE嵌入式开发板,实现对各个模块的驱动;通过五自由度机械手实现小球的捡拾;通过红外传感器检测周围环境,实现自主避障;由计数器统计捡球数量,通过手柄模块人机交互辅助完成卸载过程。仿真结果表明:该机器人能够完成高尔夫球、乒乓球、网球等多种小型球类的捡拾任务。     

基于柔索传动的香菇分拣机械手研究

面对香菇分拣过程中出现的人工挑拣和包装劳动量大、生产率低、难以精确控制分级指标等问题,研制了柔索传动的五自由度机械手,用于优质香菇的分拣。设计了整个柔索传动机构,包括机械臂的设计、钢丝绳的固定、钢丝绳预紧力的调整、底座电机的排布以及电机的固定。设计了整个机械手的控制系统,包括硬件电路的设计和图像处理设计。该机器人采用精密柔索传动技术,有效实现动力机构和执行机构的分离,使机械臂的结构配重得到优化;同时采用视觉检测系统,运用图像处理技术,增强了运动的智能化,准确实现优质食用菌的抓取;由传感器组成的闭环控制系统,使机器人的重复定位精度更高,可实现接近360°的全方位工位物料的抓取;该产品适用性范围广,不仅可以运用到香菇加工线上的分拣,还可以运用到其他预包装食品的分拣上。     

排爆机器人机械手结构设计

设计一种排爆机器人机械手结构。根据机器人机械手合拢于最远端位置与抓取最大爆炸物位置两个极限位置,采用极值法求解机器人机械手的尺寸参数,并运用尺寸参数对机器人机械手进行结构设计,使结构设计符合理论计算结果,从而确保最终的结构设计满足机器人机械手的使用要求。这种设计方法为其他机械手的结构设计提供了参考。     

最优输入整形抑制柔性机械臂的残留振动

研究机器人柔性机械臂末端残留振动的抑制,给出两自由度柔性臂的动力学方程设计了最优输入整形器,并将其应用到柔性臂的运动,抑制柔性臂末端残留振动,通过实验对比与分析,结果表明最优输入整形能够有效地抑制机械臂末端的残留振动,且引入系统的时滞时间更短.