M—Cubes自重构机器人系统动态模型描述方法研究

从模块、构型对M-Cubes自重构机器人进行了分析,用特征向量对模块的当前外部状态进行了描述;用元模块缓解单元模块的运动约束,增强模块的运动能力,并对元模块的状态进行了描述.静态构型引入了通信网络、能量网络、计算网络;动态构型引入动态图、元胞自动机,动态描述系统构型.模块个体和构型的分别描述提高了整个系统的认知程度,仿真试验表明,该方法是有效的.     

M-Cubes自重构机器人系统动态模型描述方法研究

从模块、构型对M-Cubes自重构机器人进行了分析,用特征向量对模块的当前外部状态进行了描述;用元模块缓解单元模块的运动约束,增强模块的运动能力,并对元模块的状态进行了描述。静态构型引入了通信网络、能量网络、计算网络;动态构型引入动态图、元胞自动机,动态描述系统构型。模块个体和构型的分别描述提高了整个系统的认知程度,仿真试验表明,该方法是有效的。
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环形构型的模块化机器人系统动态运动规划

针对环形模块化机器人的静态运动存在着速度慢、易卡顿、灵活性低的问题,提出一种利用惯性和质心偏移来辅助完成移动的动态规划方式。首先对EMERGE模块的运动性能以及由此模块组成的环形构型拓扑进行分析,确立了动态运动规划方式的前提条件。然后在以平行四边形为核心的静态运动规划的基础上,加入惯性和质心偏移的辅助条件,并建立环形机器人动态运动模型。最后,以8个EMERGE模块组成的环形构型机器人为实验对象,进行了动态运动规划实验。实验结果表明:环形构型的动态运动方式能够以稳定的方式进行直线前行;拥有比静态运动方式更快的运动速度和机动性能,大幅度减少了模块前行所需的关节角变化,为模块化机器人的实际应用提供了更多可参考的运动方式。     

新型模块化可重构机器人系统

研制了一种新型模块化可重构机器人系统,机器人由许多结构和功能完全相同的模块相互联接组成,通过改变各模块之间的联接状态和相互位置关系,不需任何外界辅助,自动完成重构过程和整体协调运动:设计了模块的分离联接机构和单自由度立方体结构,模块结构兼具阵列式和串联式特点,可方便的实现重构运动和整体协调运动:上位机软件系统可通过交互方式设置各机器人模块的方位,可手工编写或自动产生可重构机器人各模块的运动序列,可对机器人可重构过程和整体构型的协调运动进行规划和仿真,并通过计算机串口对机器人进行实时控制。试验验证了机器人模块的分离／联接和模块协作基本功能和蠕虫构型、四足构型、履带构型三种构型的整体协调运动功能。试验表明:模块结构设计简单合理,控制容易,可以完成重构操作功能和整体协调运动功能。     

[可靠性建模及试验技术]基于元动作模块的多轴数控机床精度分析

为充分发挥多轴数控机床大数据的价值,降低运动精度的预测难度,提出了基于元动作模块的精度分析方法。采用多体模型描述机床运动系统的结构和运动关系,利用旋量理论和微分方法推导了用于运动精度评价的坐标误差模型;规划了多轴数控机床大数据驱动的精度分析的结构框架,并重点论述了以元动作模块为基本组成单元的分布式元动作数据库的构建方法,该方法充分发挥历史大数据和实时动态数据的价值,保证了机床运动系统的仿真和精度预测的稳定性与准确性。通过对五轴联动加工中心的刀具运动系统的实例分析,验证了精度分析方法的简便性和适用性。     

基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论

蛇形魔方是一种由相同的27个正方体模块串接组成的模块化机构,在对该机构综合分析的基础上,着重于研究模块的几何描述、运动干涉检测、正逆运动学的计算以及机构的等价变化等重构理论问题。应用Clifford代数对正方体模块进行几何描述。建立机构运动过程中的约束关系,并通过逆运动学计算获得到达目标构型的转角序列。针对运动模块的特殊几何形状,采用柔性关节等价替换的方法,实现机构到达目标构型的运动。为了有效检测机构在运动过程中存在的干涉,提出一种基于Clifford代数的模块运动干涉检测算法。进而提出一种新的机构离散运动的表达方式——运动变化序列,并与指数积公式结合实现机构的正运动学计算。通过仿真试验验证所提出理论的正确性,并在仿真结果分析的基础上实现了面向特定目标构型的机构等价简化。     

一种具有三维空间自重构能力的新型模块可避障运动仿真研究

提出一种具有三维空间重构能力的新型模块化自重构机器人,根据不确定目标构型的机器人重构运动规划策略,对机器人模块及其周围环境进行描述;采用三维相对方位描述方法,建立了机器人可避障运动规则库,并结合VC＋＋与Open GL技术开发了基于可避障运动规则库的机器人仿真运动平台,验证了该方法的高效性。     

仿人机器人构型

对人形机器人构型的研究现状进行综述,分析国内、外现有人形机器人普遍采用的串联构型的特点;介绍人体的结构,对关节、肢体构成与运动进行简化,建立人体的简化构型;利用基本运动单元,以人体构型为原型,从结构、运动、功能仿生的角度出发,在多自由度关节处引入并联机构,采用等效机构替代关节及组合方法,构建人形机器人构型,得到肢体并联、混联(串、并联共存)构型与整体混联构型。试验证明,采用该类构型可使机器人肢体末端的运动更灵活、平滑连续;改善输出状态,提高机器人的机动与操作能力;使机器人刚度大、承载力大、运动稳定性高。丰富了人形机器人构型,为人形机器人设计提供理论依据和更多的构型选择。     

基于图论的可重构机器人构型综合

提出了一种简单而有效的可重构机器人构型综合方法,应用的理论基础是图论。为此,首先将可重构机器人的各模块抽象为积木块,这样,可重构机器人系统可用一个图来描述,基于图论原理和模块间的连接约束条件,得到模块所有可行的组合装配构型。利用该方法对一种由齿轮传动模块、齿条传动模块、带传动模块和平面连杆机构等4个模块组成的4自由度可重构机器人进行了构型综合,得到了它全部6种可行的装配构型,从而有效地完成了可重构机器人的概念设计。     

自重构机器人的拓扑描述和重构策略研究

为了完整描述自重构机器人整体结构的拓扑关系,提出了一种新的拓扑空间连接矩阵SCM。该矩阵通过模块间的连接状态以及单个模块的内架转角信息,能够自动识别系统中的运动支链并生成对应的运动学方程,为重构策略提供理论支撑。然后,根据单元模块的运动特点和主、被动连接面间的连接限制,文章结合SCM提出了一种无编号的分布式重构策略。将SCM与该重构策略相结合,可实现构型间的重构变换。最后,通过仿真实验,验证了该分布式重构策略的有效性。     

基于等效静态载荷法的平衡吊臂架结构优化

将等效静态载荷法(ESLM)应用于平衡吊臂架系统的动态优化设计中,提出了平衡吊臂架系统动态拓扑优化后的部件构型。通过HyperWorks软件中的Motionview模块对平衡吊臂架系统进行动力学分析,得到了最大动态应力;运用等效静态载荷法,将动态载荷转化为等效静态载荷,进而在OptiStruct模块中实现平衡吊臂架系统在动应力约束下的拓扑优化设计;得到的动态优化设计结果为平衡吊臂架系统的结构设计提供了参考。     

面向增材制造的微桁架胞元几何与力学性能分析

针对BCC、FCC及其衍化型共6种微桁架胞元结构进行了参数化建模及几何特性分析,通过有限元法对不同构型的胞元分别进行了压缩载荷条件下的力学性能分析,提出了等效比刚度的概念以表征不同构型胞元结构的刚度特性.结果表明:胞元构型对比表面积影响不大,但对相对密度有较大影响,FCC和FCCZ型胞元具有较优良的几何特性及减重效果.FCCZ胞元具有较高的比刚度,通过引入载荷方向上的Z模块,可显著提高微桁架胞元的等效比刚度,同时降低胞元构型对等效比刚度的影响程度.     

面向复杂模块化产品族演化控制的评价方法

针对模块化产品族的演化控制问题,提出面向模块化产品族复杂程度的网络化评价方法。将产品族中的模块描述为节点,模块间的关系描述为边,并将模块化产品族抽象形成产品系统的模块关系网络。借助模块关系网络,从模块、关系和系统三个层次对产品族进行量化描述,形成由模块信息量、信息耦合比、关重度、关系强度和系统信息结构熵5个量化指标组成的评价体系。基于量化指标的工程意义,设计人员可以对产品族系统进行复杂程度评估和演化状态监控。以某轮式装载机铲斗的模块化系统为例,验证了所提方法的可行性。     

基于视觉和扩展卡尔曼滤波的位姿和运动估计新方法

估计两参考坐标系之间的相对三维位姿和相对运动 ,对机器人导航、机器人装配、测量、跟踪、目标识别和摄像机定标来说是一个非常重要的问题。用八元数来表示摄像机和运动目标两坐标系之间相对平移和旋转 ,在假设运动目标的三维几何尺寸已知 ,且摄像机和运动目标之间的相对运动为匀速运动的情况下 ,由单个针孔摄像机获取运动目标的图像并测量其图像中的线特征点。由于旋转部分用四元数表示 ,状态转移函数是非线性的 ,测量函数由三维坐标变换和针孔摄像机模型所决定 ,存在严重的非线性 ,常规的卡尔曼滤波方法不适合 ,这里以扩展卡尔曼滤波方法作为数学模型 ,对状态转移函数和测量函数进行线性化后 ,对摄像机和运动目标之间的位姿和相对运动进行了估计 ,仿真结果表明 :该位姿和运动估计算法具有良好的收敛性     

工业机器人能耗预测研究

针对工业机器人传统能耗预测方法存在的模型复杂、操作繁琐、测量成本高等问题,从机器人末端动作模式和运动轨迹角度出发,提出了一种基于元动作的工业机器人能耗预测方法。首先分析工业机器人静态和动态运行时的元动作和能耗特点,建立轴移动、轴转动等动态元动作的能耗描述函数及静态元动作的能耗描述函数;然后基于所建元动作库对目标过程进行元动作分解,并构建各元动作的能耗计算模型;最后结合各元动作能耗描述函数和能耗计算模型,实现工业机器人目标过程的能耗预测。应用所提方法,只需事先测试元动作功率并构建能耗描述函数,就能通过分解目标过程实现能耗预测,具有较广阔的应用前景。     

动态图解法开发摆动凸轮机构CAD/CAM系统

提出了设计摆动滚子从动件凸轮机构的CAD动态图解方法,论述了该CAD/CAM系统的总体设计方案,描述了各模块的主要功能.介绍了在AutoCAD2004的基础上,用VBA设计凸轮廓线、进行运动仿真和加工模拟的基本原理、过程.该系统实用、直观,可快速精确地进行设计.     

输送带柔性多体动力学建模方法研究

考虑到输送带的黏弹性,结合有限元离散方法和多体动力学理论,提出用刚体单元描述输送带的刚性特征,以弹簧阻尼单元描述输送带的柔性特征,对输送带进行离散建模。运用拉格朗日方法推导刚体元的动力学微分方程,用递推组集方法建立带式输送机系统的柔性多体动力学方程。用该方法对一带式输送机的起动阶段运行速度进行了仿真分析,通过仿真分析结果与实测数据的对比,验证了方法的正确性和实用性,为带式输送机动态设计方法的进一步研究提供了可借鉴的参考数据和理论依据。     

M~2SBot新型自重构机器人拓扑构型描述及运动学研究

介绍了一种新型自重构机器人系统,研究了基于旋量理论的自重构机器人正、逆运动学算法。在分析M2SBot机器人模块拓扑结构的基础上,建立描述自重构机器人拓扑构型的三元组矩阵;利用拓扑结构信息和模块坐标系间的齐次变换,获得各个模块的运动旋量并自动生成自重构机器人正运动学方程。采用遗传算法求运动学的逆解,在传统遗传算法的基础上提出了"移民"策略和局部优化的改进方案。最后,以双支链构型为例,给出了正运动学方程自动生成的具体步骤,并在MATLAB平台上进行逆运动学仿真,验证了改进遗传算法的有效性。     

元数据驱动在试验数据管理系统中的应用

针对试验数据多变性和专业性的特点,论文将元数据驱动技术引入到试验数据的管理中。在管理试验数据时,将与业务相关的元素从系统中剥离出来,利用元数据来对其进行描述并在元数据库中进行定义,系统运行时,读取元数据库中定义的相应内容并自动对数据库进行操作,从而确定当前的业务规则。当业务发生变化时,由于业务规则是在元数据库中定义的,所以,只需要修改元数据库中相应的元数据描述信息就可以改变业务规则,为系统提供了强大的灵活性和适应性。     

基于凸多面体边界元的接触状态判断

机器人装配操作状态可用装配对象间的接触状态描述。根据凸多面体几何模型边界元给出了三种基本接触对在运动(平移或转动)方向上的最小位移计算方法,首次详细分析了基本接触对在旋转情况下的最小角度生成方法,并得出了计算公式。此方法可用来判断下一运动时刻产生的接触状态关系对。最后以三维三轴孔装配状态仿真为例,验证了该方法的可行性。