关于内镜机器人柔性机械臂运动学分析模型的研究

本文基于内镜机器人的执行端——柔性机械臂,对其应用较为广泛的运动学分析模型进行综述。目前的内镜机器人想要精确控制柔性机械臂需要在设计之初对柔性机械臂进行运动学分析,得到执行机构自由端的坐标矩阵或基于控制原点的运动方程。对于不同设计的机械臂机构,相关领域的学者使用的方法有D-H表达法(Denavit-Hartenberg)或者通过执行机构的几何关系分析运动学,以及通过链式梁约束模型(Chained Beam-Constraint-Model, CBCM)得到运动学求解。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

控制棒驱动机构检查机器人的设计与研制

针对国产CAP1400系列核电站控制棒驱动机构密集阵列排布特点,创新设计并研发了一种具有刚性体、柔性体和软体一体化运动特征的新型控制棒驱动机构检查机器人。该机器人具有由液压剪叉升降机构、麦克纳姆轮底盘和直线模组组成的刚性推进模块、柔索驱动的连续体主机械臂模块以及气驱动的软体伸缩模块。对柔索驱动的单级关节段连续体柔性臂进行运动学分析并探究多电机协调控制策略,并对气驱动的软体伸缩模块进行了分析与测试;最后,在模拟环境中对该机器人进行功能测试,测试结果表明该机器人的各项功能均达到预期效果。该研究为核环境受限空间中规则密集排布管线检查提供了一种新的解决方案和新型机器人。     

自动更换路灯机器人

针对目前路灯更换过程麻烦,工作危险的问题,研究设计了一种便于更换路灯的机器人,该机器人的主要机构有爬杆机构和机械臂机构两个部分。其中爬杆机构是带通孔的箱体,箱体内包括两个驱动机器人上升的驱动摩擦轮,两个起定位作用的摩擦轮。机械臂结构采用了曲柄连杆机构进行运动,关节处采用舵机传动,机械臂末端通过机械爪抓取灯泡,完成换灯的操作。     

核设施管道检测机器人系统研究

提出了一种具有自适应能力的管道检测机器人,该机器人应用于核设施内在役或退役的通风管道的检测。结合核工程现场实际,基于一种类型的核设施通风管道,设计适应作业环境、运动灵活、实时可靠的管道检测机器人。该机器人系统分为机械结构、控制系统和数据采集处理系统。机械结构分为驱动单元机构和控制单元机构;控制系统含有驱动模块、遥操作模块以及以STM32F103ZET6芯片做核心的主控板;数据采集处理系统分为各数据采集硬件模块和数据库分析软件。所研发的机器人能够为我国核设施的检测和退役的有效实施提供有价值的参照。     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计

从柔性多体动力学对机械臂结构影响出发,分析了基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计方式,旨在为柔性多体动力学在机械臂结构优化设计中的应用奠定技术基础,以此提高机械臂整体动力学性能,进而提高机器人载重、自重比和末端操作精度,提升机械臂应用效果和技术含量。     

柔性臂空间机器人的神经网络自适应控制及振动模态分级模糊控制

由于太空中的在轨作业一般要求空间机器人具有手臂长、负载大,对空间机器人动力学及控制进行分析时必须考虑到机械臂杆件的柔性问题。为此探讨了参数未知柔性臂空间机器人载体姿态、关节协调运动控制及柔性振动抑制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用Lagrange方法建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学方程。运用奇异摄动理论的双时间刻度分解,导出了适用于控制系统算法设计的奇异摄动数学模型。利用该模型,针对慢时标子系统——等价刚性空间机械臂,设计了系统参数不确定情况下的径向基函数神经网络补偿控制算法,以控制柔性臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节铰协调地来完成各自在关节空间的期望运动;神经网络控制算法的研究目的是基于神经网络良好的在线自学习能力,大大提高整个系统的控制精度。针对快时标子系统——柔性臂的振动,设计了分级模糊控制算法来主动抑制柔性杆的振动。分级模糊控制算法的研究目的是为了减少模糊规则库的大小,有效提高模糊控制器的计算效率。通过计算机仿真验证了提出方法的有效性和可行性。     

线驱动混合关节机器人构型与运动控制分析研究

为提高工业机械臂的运动灵活性和避障能力,提出了一种由刚性旋转关节与连续型柔性关节构成的新型混合关节机器人,该机器人的关节轴线互相垂直并采用绳索驱动方式。首先,针对该混合关节机构,基于传统D-H参数法与弹性体常曲率变形理论提出了线驱动混合关节机器人运动学建模新方法。其次,在机器人建模分析的基础上,设计其运动控制系统,制备了原理样机。最后,开展原理样机实验,运动轨迹最大误差为10mm,实验结果验证了该混合关节机器人机构设计与运动控制的可行性。     

用于矩形通风管道的集成清洁机器人

为了解决大型中央空调的矩形通风管道清理,设计了一种专用的管道清洁机器人。机器人的行走方式采用轮式,将清扫机构、吹灰扇、监控摄像头机构等工作所需工具安装在一台小车上,其中清扫装置设计分为主刷头和辅助刷头2个部分,2个辅助刷头设计为可开合式以适应不同宽度的矩形管道的。在硬件部分,采用STM32单片机作为主控板,将空调管道的清洁、监控等工作集成于一体。结果表明,相比较传统的人工清洁,该管道机器人在提高清洁效率的同时降低了人工成本。     

柔性机器人在汽车发动机清洗行业中的应用

为了提高发动机的清洁度,针对传统清洗机存在的问题,提出柔性机器人清洗方案,通过分析柔性机器人清洗机的设备构造及特点,制定了清洗的工作流程,并采用传统通过式清洗机和柔性机器人清洗机这两种清洗方式对发动机进行清洗,清洗结果表明：柔性机器人清洗机的可移植性高,提高了生产效率;有效地提高缸体和瓶盖清洁度,进而提高发动机的使用寿命：降低成本和节能。     

管道机器人移动牵引机构设计

管道机器人是特种机器人研究领域中的热点.该文设计了管道机器人蠕动式移动牵引机构,采用电机驱动丝杠正反转,丝杠上丝杠螺母前移,前后两组支撑腿臂交替支撑住管壁,从而实现了机器人的蠕动式前行的驱动方案,并设计了该系统的电控部分.模拟管道中的实验验证了该方案的可行性.     

新型无缆管道机器人关键技术的研究

油气管道健康监测中管道机器人的研发是特种机器人领域中的热点,提出了管道机器人工程实用化中几个关键技术壁垒及这几个关键问题的解决措施。机器人移动牵引机构采用电机驱动丝杠旋转,丝杠上滑架(丝杠螺母)前移,两组支撑腿臂蠕动前行方式;整个机器人系统能量供给方面采用流体推动桨叶发电,对承载的锂电池组充电以实现机器人自推进;机器人通信方面采用管道内光纤传输视频图像和数据,管道外以无线方式与上位机监控设备双向无缆通信;整个机器人系统方案的可行性在模拟环境中得到了验证。     

球面幕墙清洗机器人的自攀爬机构设计

针对国家大剧院的超椭球外墙，开发了一种采用自攀爬构型的新型清洗机器人。这种机器人没有吸附装置，而是通过机器人与壁面构成高可靠性的抓持铰实现在垂直、倾斜的壁面上移动。分析和讨论了机器人的自攀爬机构原理，介绍了机器人的自攀爬运动过程。     

5自由度机器人手臂研究

机器人机构是其它部件的载体,也是机器人设计中最基本和首要的工作。本文介绍了以PIC单片机为核心控制器、结构简单的五自由度机器人手臂结构,该手臂关节采用模块化设计,控制系统主要由PIC智能控制模块和电机驱动模块组成,该手臂已经成功应用于某机器人上,运行情况良好。为了进一步完善机器人功能,本文最后提出了机器人手臂的未来研发计划。     

机器人柔性磨削机床的恒磨削力补偿机构及其动力学分析

介绍了用于机器人柔性磨削系统的柔性砂带磨削机床,提出了恒磨削力补偿机构。分析了机器人柔性砂带磨削机床转位机构实现在线多工位磨削加工的创新设计和恒磨削力补偿机构的原理。建立了恒磨削力补偿机构的运动学、静力学和动力学数学模型,并对其进行了数值仿真。讨论了机器人柔性砂带磨削机床的结构参数对恒磨削力补偿机构的运动学特性和动力学特性的影响,为机器人柔性砂带磨削机床的机械设计和机器人的轨迹规划提供了理论依据。最后,对具有恒磨削力补偿机构的柔性磨床组成的机器人柔性磨削系统进行叶片加工实验,结果表明其加工精度完全满足复杂曲面的高加工精度要求。     

基于PROFIBUS总线的曲轴清理机器人系统设计

介绍了曲轴清理加工工艺和曲轴清理机器人系统的组成原理。详细阐述了基于PROFIBUS总线通信及可编程自动化控制器PAC为主站的控制系统。系统程序采用组态软件,完成数据采集、存储和处理,人机界面实时数据显示、与下位机的数据交换及各种保护和报警等功能。     

电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析

面向输电系统检测及维护作业的自动化,提出并设计了一种可以在电力铁塔表面自由移动的五自由度双臂关节式攀爬机器人,以期代替人工完成危险的高空攀爬检测作业任务.该电力铁塔攀爬机器人机构紧凑,左右机构对称,创新采用直线推杆机构实现两臂张合功能,此机构可良好支撑机器人双臂,相比传统关节设计采用的大转矩电机直驱方式,大幅度降低了对驱动电机的转矩要求.建立了机构CAD模型.进行了静力学分析,并在动力学仿真软件Adams软件环境下进行仿真.通过和电机直驱关节方法比较,分析和仿真结果均表明采用直线推杆机构可减小驱动电机转矩.样机试验结果表明电力铁塔攀爬机器人系统的设计组成原理合理,系统方案成功可靠.     

冗余度柔性机器人协调操作刚性负载的动力学模型及仿真

冗余度柔性机器人协调操作系统集合了冗余度机器人、柔性机器人和协调操作机器人的优点 ,具有广泛的应用前景。本文研究了冗余度柔性机器人协调操作动力学 ,给出了两 4R冗余度柔性机器人协调操作一刚性负载的动力学模型 ,并进行了仿真分析。仿真结果表明 ,该模型是可行的。