机器人力控末端执行器综述

随着制造业的智能化发展,机器人抛光、打磨、去毛刺和装配等连续接触式作业的需求日益增加。力控末端执行器作为机器人力-位混合控制与连续接触式作业的关键部件,其性能对于提升机器人作业质量和拓展应用范围具有重要影响。因此,对现有机器人力控末端执行器进行研究,分析其性能特点与关键技术,指明其发展方向,对于高性能力控末端执行器的研制具有重要意义。首先,介绍了力控末端执行器的发展背景,阐述了其组成与分类、工作模式和工作原理;其次,简述了力控末端执行器研发中涉及并联机构构型综合理论与优化技术、恒力补偿作动部件设计技术、质量力补偿技术、柔性碰撞技术、解耦控制技术和力波动抑制技术等;然后,分别对机械式、气动式和电驱式等单自由度与多自由度力控末端执行器的国内外研究现状进行了概述,并分析了各自的优缺点;最后,指出力控末端执行器将向高精度、高频响、电驱化、多自由度柔顺、重载化、高集成化和智能化等方向发展。分析表明,当前普遍应用的力控末端执行器多为机械式或气动式,但存在迟滞大、响应速度较慢和力控制精度不高等缺点,且仅能实现单自由度恒力控制,因此,开展高精度高频响的智能电驱式多自由度力控末端执行器的研制,对于提高机器人连续接触式作业系统的力控制精度、曲面适应性、加工装配质量和效率具有重要意义,可有效提升工厂机器人智能化作业水平。     

抛光工业机器人主动恒力装置设计研究

研究了工业机器人抛光中的恒力控制,针对传统的机器人恒力控制中既要对机器人进行力控制又要对机器人进行位置控制,导致工业机器人整体控制复杂,响应较慢,精度较低的问题,采用机器人力和位置分离的方式,设计了独立于机器人本体的主动恒力控制装置来解决机器人作业的力控制,使机器人力控制作业中不用考虑机器人的运动控制,从而达到解耦的效果。实验验证结果表明,设计的主动恒力装置提高了工业机器人力控制精度,具有良好的恒力控制性能。     

Elastic Inflatable Actuators for Soft Robotic Applications

The 20th century's robotic systems have been made from stiff materials, and much of the developments have pursued ever more accurate and dynamic robots, which thrive in industrial automation, and will probably continue to do so for decades to come. However, the 21st century's robotic legacy may very well become that of soft robots. This emerging domain is characterized by continuous soft structures that simultaneously fulfill the role of robotic link and actuator, where prime focus is on design and fabrication of robotic hardware instead of software control. These robots are anticipated to take a prominent role in delicate tasks where classic robots fail, such as in minimally invasive surgery, active prosthetics, and automation tasks involving delicate irregular objects. Central to the development of these robots is the fabrication of soft actuators. This article reviews a particularly attractive type of soft actuators that are driven by pressurized fluids. These actuators have recently gained traction on the one hand due to the technology push from better simulation tools and new manufacturing technologies, and on the other hand by a market pull from applications. This paper provides an overview of the different advanced soft actuator configurations, their design, fabrication, and applications.     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。     

基于模糊自适应PID焊缝轨迹跟踪的机器人焊接前瞻控制方法

研究了机器人焊接的控制.针对当前传统焊接工业机器人通常仅按照示教点进行既定轨迹运动,不能适应小批量多品种的柔性与智能生产线的问题,将工业相机、图像处理技术与智能机器人相结合,提取出焊缝轨迹发送给机器人,同时为提高机器人焊接过程中的轨迹跟踪精度问题,提出了一种基于模糊自适应PID焊缝轨迹跟踪的前瞻控制方法.在工程大型薄壁结构件的焊接过程中,该方法将视觉检测与识别用于焊缝轨迹跟踪,以提高焊接机器人的作业精度.最后通过实验,验证了该方法具有良好的自适应性和控制精度,能够实现前瞻偏差补偿控制.     

基于增量耦合预测控制的风电叶片打磨机械臂末端颤振抑制研究

针对风电叶片打磨过程中,末端执行器与叶片表面发生刚性接触而引起末端执行器切向颤振问题,提出一种基于力反馈与加速度前馈复合结构的末端执行器增量耦合预测控制方法。在末端执行器柔性驱动单元数学建模的基础上,基于增量耦合动态矩阵预测控制算法对复合PID控制策略进行改进,将不可控但可预知输入加速度作为磨削轴向力预测序列的一部分。同时,在有限时域内采用二次型性能指标最小化的方式对控制目标进行滚动优化,以确保末端执行器与风电叶片表面柔顺接触。仿真及实验结果表明,此方法可以快速地实现末端执行器的切向颤振抑制,并能最大限度地减小因控制时滞、环境时变、模型失配等带来的误差。     

工业机器人协同加工工序标准工时测定方法研究

以工业机器人为研究对象,提出工业机器人完成一道工序的标准工时模型。针对工业机器人工作特点,得出工业机器人完成一道工序的标准工时构成要素;分别讨论单台工业机器人、多台工业机器人串联、多台工业机器人并联组成一道工序的工作特征,基于可靠性等相关理论,推导这3种情况下该工序的正常工时(t)、平均故障修复时间(MTTR)、平均预防性维修时间(MPMT)的数学模型;其中从工序能力出发,将并联工业机器人转化成串联形式进行模型推导。以某条智能生产线上各工业机器人为例,与正常工时相比,基于新的标准工时得出的标准产能与实际产能的误差由4.29%下降到1.72%。     

Qualitative modelling of kinematic robots for fault diagnosis

This study presents an approach, the unit circle (UC), to qualitative representation of robots. A robot is described as a collection of constraints holding among time-varying, interval-valued parameters. The UC representation is presented, and the continuous motion of the end-effector is evaluated by the change of directions of qualitative angle and qualitative length. Analytical formulas of qualitative velocity and qualitative acceleration are derived. The characteristic mapping is introduced for fault detection and diagnosis in terms of the UC. In the end, simulation results demonstrate the feasibility of the UC approach in the domain of robotic fault diagnosis, where a fault is defined as a deviation from expected behavior. The UC representation of robots concerns a global assessment of the systems behaviour, and it might be used for the purpose of monitoring, diagnosis, and explanation of physical systems. This is the first step to fault diagnosis and remediation for Beagle 2 using qualitative methods.     

工业机器人三维在线自校准系统的研制

针对工业机器人校准成本与校准精度难以平衡的问题,研究了一种针对工业机器人的三维低成本高精度接触式自校系统。该系统的三维校准器安装于机器人末端位置（TCP）,采用三个互相正交的高精度位置传感器,通过研究工业机器人D-H参数校准算法,并对专用四球校准台精密迭代测量,可实现对工业机器人D-H参数的低成本、高精度在线自校准。通过与激光跟踪仪进行验证试验,各测量点的最大En值为0.63,小于1,验证结果满意。     

时滞位移反馈作用下多自由度微陀螺的刚度非线性及控制研究

为揭示多自由度微陀螺非线性系统中位移反馈项对系统动力学特性的影响规律,探索对非线性的控制方法,以一类四自由度静电驱动微机械陀螺为研究对象,采用多尺度法对微陀螺受控系统在频域和时域中的动力学特性进行了分析。研究发现:时滞量为整周期或半周期时反馈增益可有效的对系统共振频率进行调节;时滞量为四分之一或四分之三周期时,反馈增益主要影响幅值大小,共振频率基本保持不变;反馈控制参数选取得当可消除非线性引起的多稳态解,增加陀螺的灵敏度稳定性,选取不当会导致系统出现复杂的概周期运动使灵敏度稳定性遭到破坏。     

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此,本文提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。文中首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。     

基于PLC的相框组装包装控制系统设计

目的 为了解决相框组装包装控制系统中工业机器人、机器视觉检测系统、MES系统、触控一体机之间等通信及数据交换的难题,实现MES系统对底层设备的直接控制。方法 进行结构设计,包括相纸组装、logo组装、视觉检测、包装盒组装等装置。以台达PLC AS228P为主控器,进行通信网络架构及相关算法软件的设计,利用Modbus TCP协议通过以太网实现与不同智能设备间通信。结果 组装包装系统运行稳定,成功率达到99.5%,产品合格率达到99.2%,数据通信稳定和可靠,符合工业应用要求。结论 该控制系统很好地满足了企业对智能制造的需求,解决了不同设备之间数据通信的难题。     

陶瓷浆料3D打印机挤压力模糊神经网络PID稳定控制研究

针对在微流挤出陶瓷浆料3D打印机作业过程中挤压力稳定控制的需求,根据打印机挤压力控制系统非线性、时变性的特点,总结了现有挤压力稳定控制策略的优缺点,并在模糊PID (proportion-integral-derivative,比例-积分-微分)控制器中嵌入神经网络结构,提出了挤压力模糊神经网络PID稳定控制策略。该策略基于六层模糊神经网络,以挤压力偏差值e和偏差值变化率ec为输入,PID控制器控制参数为输出,完成正向模糊控制过程,并基于神经网络的自学习优势实现反向传播及在线更新神经网络权值,以实现打印过程中挤压力的精准自适应调节。挤压力控制Simulink仿真、挤压力控制实验及坯体打印实验表明：相较于传统PID控制策略,采用模糊神经网络PID控制策略可使超调量减小20.9%,挤压力提前90 s达到稳定状态,压力峰值减小12 N,压力谷值增大18 N;相较于采用模糊PID控制策略,超调量减小1.73%,挤压力提前56 s达到稳定状态,压力峰值减小4 N,压力谷值增大8 N;模糊神经网络PID控制策略具有一定的优越性,可使打印过程中挤压力的控制精度更高,稳定速度更快,超调量更小,所打印坯...     

Highly stretchable self-sensing actuator based on conductive photothermally-responsive hydrogel

Soft robots built with active soft materials have been increasingly attractive. Despite tremendous efforts in soft sensors and actuators, it remains extremely challenging to construct intelligent soft materials that simultaneously actuate and sense their own motions, resembling living organisms’ neuromuscular behaviors. This work presents a soft robotic strategy that couples actuation and strain-sensing into a single homogeneous material, composed of an interpenetrating double-network of a nanostructured thermo-responsive hydrogel poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and a light-absorbing, electrically conductive polymer polypyrrole (PPy). This design grants the material both photo/thermal-responsiveness and piezoresistive-responsiveness, enabling remotely-triggered actuation and local strain-sensing. This self-sensing actuating soft material demonstrated ultra-high stretchability (210%) and large volume shrinkage (70%) rapidly upon irradiation or heating (13%/°C, 6-time faster than conventional PNIPAAm). The significant deswelling of the hydrogel network induces densification of percolation in the PPy network, leading to a drastic conductivity change upon locomotion with a gauge factor of 1.0. The material demonstrated a variety of precise and remotely-driven photo-responsive locomotion such as signal-tracking, bending, weightlifting, object grasping and transporting, while simultaneously monitoring these motions itself via real-time resistance change. The multifunctional sensory actuatable materials may lead to the next-generation soft robots of higher levels of autonomy and complexity with self-diagnostic feedback control.     

Industrial robot layout based on operation sequence optimisation

The robot layout is one of the primary problems in the robot work cell design. An optimal layout not only makes the robotic end-effector reach the desired position with the desired orientation, but also minimises the robot cycle time for completing a given task with collision avoidance. There may be many feasible robot operation sequences for a given task. The optimisation of operation sequence for a robot placed in a fixed location is NP-complete. There may be different optimal operation sequences as the robot is placed in the different locations. Hence the problem of robot layout is quite complex. This paper presents a method of industrial robot layout based on operation sequence optimisation. The robot motion control model with velocity, acceleration and jerk is established. The feasible space of robot base is calculated and then divided into discrete grids before the optimisations. Then the ant colony algorithm is applied to optimise the operation sequence for each grid. The adjacent grids are merged or divided enough times to form the bigger grids. The pattern search algorithm is adopted to solve the local optimal position and orientation of the robot base in each big grid, and the global optimal layout is found through the comparison of the local solutions. The industrial robot layout method has been applied to the work cell design for car door welding.     

结构减震的稳定时滞LSSVM-LQR智能控制算法

针对时滞LSSVM-LQR智能控制算法存在的稳定性问题,提出相关的稳定性控制算法,以确保时滞LSSVM-LQR智能控制算法的鲁棒性。该算法的主要思路为：在时滞LSSVM-LQR控制算法中,加入控制力限制条件。当满足控制力限制条件时,控制程序继续运行;当不满足控制力限制条件时,控制程序自动跳出,便执行稳定性控制算法（或称为稳定/鲁棒的时滞LSSVM-LQR智能控制算法）。稳定性控制算法主要是通过调整反馈来控制作动器运行,从而确保控制系统的稳定性。数值结果表明,稳定性控制算法能够有效地保证时滞LSSVM-LQR智能控制算法的稳定性/鲁棒性;与时滞LSSVM-LQR智能控制算法相辅相成。     

轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析

为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响,建立有砟轨道的离散元分析模型。通过缩小与枕底相接触的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟,研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应,分析了轨枕空吊形式和空吊数量对有砟道床动力响应的影响。结果表明:轨枕空吊会使得道床中道砟颗粒接触力发生重分布,空吊轨枕所在道砟箱中强力键的个数会减少,两侧相邻道砟箱中强力键的个数会增多,轨枕非完全空吊时在列车荷载作用下会对道床产生冲击作用而增大部分道砟颗粒受力;空吊轨枕会失去对其下方道砟颗粒的约束作用而导致道砟颗粒振动的离散性增加,同时会增大轨枕盒中道砟颗粒的振动并显著提高两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动水平;轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗粒之间的摩擦耗能,引起道砟出现"泛白"现象,同时还会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间的摩擦耗能;3根轨枕连续完全空吊对道床动力响应的影响大于1根轨枕完全空吊的影响。     

三级倒立摆的云控制方法及动平衡模式

文章提出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示方法,用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性,给出云发生器的生成算法,解释多条定性推理规则同时被激活时的不确定性推理机制。利用这种智能控制方法有效地实现了单电机控制的一、二、三级倒立摆的多种不同动平衡姿态,显示其鲁棒性,并给出了详细试验结果。研究成果不仅可用于对太空飞行器以及机器人控制,而且对揭示定性定量转换规律和策略具有普遍意义。     

舰艇电气设备中簧片式触点开关冲击响应分析

簧片式触点开关广泛应用于舰艇的电气设备中。舰艇受到爆炸冲击时,簧片式触点开关易发生断路或簧片产生塑性变形,影响设备的可靠性,危害舰艇的安全。为了校核簧片式触点开关的抗冲击能力,首先对处于闭合状态的簧片式触点开关进行接触模态分析,然后对其施加多种典型冲击载荷并采用Bathe复合积分法开展计算,最后通过提取动、静触头之间的接触力来判断簧片式触点开关是否发生断路,同时观察簧片根部在冲击载荷下是否发生塑性变形。研究发现：动、静触头之间的接触力在冲击载荷作用时波动剧烈,而在自由振动时则呈现出明显的周期性,且振动频率接近一阶固有频率;在幅值相同的情况下,高频冲击载荷更容易诱发剧烈的接触颤振而断路,低频冲击载荷会使簧片根部的应力较大而塑性变形。讨论了负波延迟对冲击响应的影响,提出了改善簧片式触点开关抗冲击能力的措施。     

Design of an Intelligent Robotic Excavator Based on Binocular Visual Recognition Technique

Research on intelligent and robotic excavator has become a focus both at home and abroad, and this type of excavator becomes more and more important in application. In this paper, we developed a control system which can make the intelligent robotic excavator perform excavating operation autonomously. It can recognize the excavating targets by itself, program the operation automatically based on the original parameter, and finish all the tasks. Experimental results indicate the validity in real-time performa...