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关键词： 工业机器人   培训   教学  

摘要： 针对很多从事工业机器人技术人员的相关专业知识技能薄弱,急需进行培训学习,以及目前培训机构良莠不齐、培训教师素质无法保障,致使培训效果不佳的现状,本文提出了由院校承担工业机器人控制技术培训的培训模式,并对培训的教学方法和评估考核办法进行研究讨论。

关键词： CDIO   工业机器人   教学方式  

摘要： 针对工业机器人应用量多、专业人才缺口大的现状。通过对工业机器人生产、应用、销售企业和自动线设计单位的调研,了解企业岗位需求,并根据高职高专学生特点,采用贴近企业实际、益于学生学习且可操作性强的教学方法和合理的考核办法,对工业机器人控制技术课程进行教学应用。为此,本文提出了基于CDIO模式的案例导入项目式教学方法。

关键词： 表面肌电信号   上肢组合运动序列   机器人控制   自然人机交互  

摘要： 以人体运动状态作为输入信号控制机器人、机械臂等外部设备是目前人机交互(HCI)领域中的一个重要研究方向。通过不同运动模式的在线识别,可以帮助使用者以便捷、灵活的肢体运动实现更加自然的人机交互功能。本文以基于人体运动状态检测的机器人控制技术为研究对象,以表面肌电(sEMG)信号的检测与识别为技术手段,在离线分析和在线控制两个方面研究人体上肢组合运动的时序关系与识别算法,实现了基于sEMG信号运动状态检测的机器人控制技术。本文的主要研究成果如下:基于sEMG信号的上肢组合运动序列离线分析。在单个特征识别方面,提取了sEMG信号的绝对平均值(MAV)和波形长度(WL)两个特征,使用了区间分割法、决策树与剪枝等方法,将6类上肢组合运动序列成功分类,MAV与WL特征的分类准确率分别达到95.24%和94.05%。随后进行了多特征融合识别,分别采用了特征层融合与决策层融合技术,分类准确率分别达到96.43%和98.81%。实验结果表明,本文所实现的分类器对规定动作任务的离线识别性能较好。基于sEMG信号的上肢组合运动序列人机交互。分别利用同步范式与异步范式对NAO仿人型关节式机器人进行在线控制。在同步控制范式中,采用了随动控制策略,实现了NAO机器人随被试运动完成相同动作的目标,该范式为患者的康复治疗提供了一种思路。在异步控制范式中,采用了映射控制策略,以上述组合运动序列作为状态切换条件,实现了对NAO运动状态的切换控制。上述实验结果表明,基于sEMG信号的序列运动检测能实现有效的人机交互功能。基于sEMG信号的人体上肢自然运动初步探究。为了进一步探索人体自然运动规律和识别算法,我们由上述的6类规定动作序列推广出3类人体自然运动,并用规定动作任务的分析方法进行分类识别。实验结果表明,人体在目标抓取任务中,上肢各关节同样表现出一定的时序关系,但其显著度低于之前的固定序列运动任务。耦合时序关系的解耦将成为人体自然运动识别的关键。综上所述,本文实现了基于sEMG信号的上肢组合运动序列离线分析与在线控制,在医疗康复和武器装备等领域具有一定的应用前景。

关键词： 辅助行走   动力外骨骼   建模仿真   实验研究  

摘要： 随着全球老龄化不断加剧与自然灾害不断增多,因中风和自然灾害而引起截瘫患者人数不断增多。在我国,下肢截瘫患者数量庞大,能进行现有人工的治疗患者很少,这将会导致截瘫患者终生躺在床上不能进行站立行走。助行动力外骨骼作为一种提供外动力驱动关节机器人装置,可为截瘫患者提供起坐、助力、助步、助行等功能,帮助其重新站立、行走,完成日常的基本活动,这对我国医疗服务事业具有重要的意义。本文针对现有助行动力外骨骼机器人外形庞大、体积笨重、穿戴舒适性较差、步态轨迹控制与人机协调等相关研究不够完善等不足,在机器人结构、建模与仿真、控制系统等方面进行了详细的理论分析与相关实验研究。从四种不同角度介绍了国内外助行外骨骼发展现状并对其进行总结,概括了今后应发展助行外骨骼的关键技术。根据人体下肢生理结构特点及下肢康复训练分析,设计了助行动力外骨骼机器人总体结构方案与总体控制方案,在总体方案基础上提出了机器人安全策略。根据机器人结构设计,对助行动力外骨骼机器人进行了运动学与动力学建模及仿真分析,且进行了伺服控制仿真。并对机器人控制系统硬件与软件进行详细的设计,在此基础上,对控制系统安全保护进行了设计。经过上述研究设计,研制出助行动力外骨骼机器人实验样机,基于DSPACE半物理仿真平台对机器人系统进行了实验研究,主要包括:伺服控制实验、单腿控制实验、双腿控制实验、不同运动模式的轨迹控制实验以及人机实验研究。

关键词： 工业机器人   刚柔耦合模型   驱动系统设计   机器人振动抑制   最优变增益控制  

摘要： 随着工业机器人在机械加工、汽车制造、装配和物流码垛等自动化生产领域的广泛应用,对机器人工作效率、响应速度、轨迹跟踪精度和稳定时间等动态性能提出越来越高的要求。为提高机器人动态性能,本文建立了码垛机器人动力学模型;并以此为基础分别从机器人驱动系统设计,基于线性化动力学模型机器人控制器设计和机器人抑制振动方法三个方面开展相关问题研究;此外基于工业计算机和高速通讯总线的机器人控制系统结构设计等关键技术研究并进行了相应性能测试与实验。本文首先建立了码垛机器人运动学和刚体动力学模型。在刚体动力学方程基础上,采用集中参数法同时考虑关节柔性和连杆柔性建立了机器人刚柔耦合动力学方程。根据机器人刚柔耦合动力学方程的特点,在求解逆动力学过程中将机器人运动学方程作为约束条件,将原有的非线性微分方程扩展为具有代数方程约束的微分代数方程。代数方程的引入提高了逆动力学求解的合理性和准确性,所求解状态变量不仅满足动力学方程而且符合机器人运动学约束。通过对代数方程约束进行微分并引入虚拟变量,降低刚柔耦合动力学方程的微分指标进而降低了方程的求解难度。将微分代数方程求解问题转化为非线性微分方程初值问题进行求解。为设计机器人驱动系统,首先分析机器人驱动系统元件属性对机器人整体性能的影响。根据机器人性能设计需求,建立以机器人工作效率和固有振动频率为目标函数,以电机峰值和额定转矩、减速器寿命以及负载自重比等指标为约束条件的优化模型。为解决离散变量优化问题,建立离散优化变量与系统属性特征之间的映射关系。通过动力学仿真结果计算相应的性能指标和约束函数条件,并利用混合变量遗传算法求解离散变量优化问题。结果表明整个优化模型和优化方法可行,相应动态性能均得到有效的提升。为抑制机器人振动,根据机器人振动形式,将机器人振动分为残余振动和运动过程中振动两种。首先,分析机器人在停止时刻的残余振动特性,将其运动表述为自由振动状态下的振动方程。根据模态分析理论得出振动方程时域响应表达式,将机器人残余振动的主要因素归结为运动停止时刻轨迹的位置和速度误差。然后,从控制系统角度将参考轨迹有可能引起机器人运动过程中振动的因素归结为:起始点和终点轨迹的连续性以及轨迹自身频率特性。根据上述分析,基于柔性关节动力学方程,构造性能指标函数,将残余振动抑制运动规划问题视为泛函极值求解问题。基于Pontryagin最大值原理将泛函极值问题转换为常微分方程组边界值求解问题。为减小机器人运动过程中振动,在起始点和终止点速度,加速度边界连续的条件下采用傅里叶级数对最优计算得到的轨迹进行曲线拟合。在保证拟合精度的前提下尽可能降低前馈转矩包含的高频谐波分量,减小激励机器人自身固有频率的可能。结果表明,提出的机器人振动抑制轨迹规划策略可以有效降低机器人残余振动幅度和时间,并减小运动过程中关节的柔性变形。在基于线性化动力学模型的机器人控制器设计方面,首先分析柔性关节机器人动力学模型在整个工作空间的非线性特性,采用高阶奇异值分解方法建立机器人凸多面体模型。通过数值计算和闭环仿真两种方式验证获得的凸多面体模型能够在工作空间内准确地描述非线性的柔性关节机器人非线性动力学特性。基于反馈线性化控制器设计方法和最优控制理论,通过求解凸多面体模型顶点对应Riccati方程组的公共正定解,将最优控制问题转化为线性矩阵不等式组求解问题,通过求解对应的线性矩阵不等式组得到最优的变增益控制器。仿真结果表明,采用最优变增益控制可以有效降低机器人柔性关节变形,提高轨迹跟踪精度。在码垛机器人控制系统具体工程实现方面,首先对运动控制系统进行任务分解,基于运动控制状态机编写了机器人底层控制软件架构。在此基础上设计基于高性能PPC、实时系统和高速通讯总线的机器人控制系统。根据国家工业机器人测试标准对实验样机进行了重复精度和动态性能测试,验证本文部分控制算法在工程实际中的有效性。

关键词： 步行机器人   工作空间离散化   轨迹规划   误差分析   控制系统  

摘要： 随着科学与技术的不断发展，人类对世界的探索在不断地深入。人类的活动空间在不断地扩大，因而面对的地形也更加复杂多样。太空探索、极地科考、矿山开采、灾难救援、核电维护、军事运输等各领域都需要大量的多足步行机器人，机器人已在多领域有着较为重要的作用，成为新时期工业应用、科技探索的重要而基础的工具。重载多足机器人能够很好地适应崎岖地面、离散化地形，在复杂的地面环境中可以很好地承担运输任务。在传统的基于数学模型的控制中，采用先建模再规划然后控制的思路。该控制方法的建模很复杂，控制过程中实时地反解对系统的计算速度、实时性要求很高，应该考虑如何减少反解时间、降低对系统实时性的需求，让系统有更多的时间进行其它工作。本文基于足端工作空间离散化，对重载多足步行机器人的控制技术进行了研究。 首先，建立重载多足机器人的数学模型，对多足步行机器人的摆动腿进行运动学正反解、速度正反解，支撑腿进行运动学正反解，分析了机器人的足端工作空间。其次，对多足步行机器人的足端工作空间离散化，用足端特征点近似代替足端控制点来控制曲线的形状。举例并说明如何用五次多项式、三次样条差值对关节空间进行轨迹规划，进而得到足端轨迹。分析了关节的角位置、角速度、角加速度曲线与足端的位置、速度、加速度曲线等。再次，设计并分析了重载多足步行机器人控制系统的硬件和软件。设计并分析了相关的硬件电路和软件系统，实现了控制系统软硬件的模块化设计。最后，分析了用不同边长的子块对足端工作空间离散化时，足端轨迹发生的变化。选择了合适边长的子块对足端工作空间进行离散化。在给定子块边长的情况下，举例分析了单控制点单坐标方向偏移、单控制点多坐标方向偏移、多控制点多坐标方向偏移对足端轨迹的影响。

关键词： 手把手   施釉   机器人   控制系统  

摘要： 施釉机器人降低了工人的劳动强度,提高了施釉效率,在陶瓷制品的生产中已被广泛应用。开发出适合施釉机器人的控制系统对施釉机器人的自主研发具有重要意义。针对一种新型轻量化的手把手示教型施釉机器人进行控制系统的研究开发,使施釉机器人既能单独完成示教和再现功能,又能通过联网组成生产线。利用齐次变换矩阵的方法建立五自由度施釉机器人本体的运动学模型,推导出关节空间至基坐标系的转换关系,为控制系统研发提供理论基础。通过对机器人功能需求分析进行施釉机器人硬件系统的研究开发,达到多台机器人组成生产线的控制要求。通过对机器人工作空间及各关节负载变化的研究,确定各关节极限位置,计算出最大力矩,设计出最优的伺服控制系统。研发一种新型的密封且内部高压的控制柜,解决了高温多尘环境中电器元件的保护问题。基于施釉机器人手把手示教的方式,控制系统软件设计为示教、调试和工作三种模式。示教模式通过对PMAC运动控制卡存储能力的分析研究确定出采样频率,利用循环扫描方式实现自动采集示教点。调试模式利用图像处理技术对采集到的点位进行平滑处理和修正。工作模式利用PMAC运动控制卡本身的运动控制功能,通过多轴插补技术研究,实现轨迹再现。通过对机器人负载变化研究,设计研究出一种具有自适应功能的PID模糊控制算法,通过实验对比,得到系统响应速度和稳定性均优于普通PID控制的结论,实现了机器人精确控制的要求。

关键词： 灭火机器人   STC80C52   红外测距传感器  

摘要： 介绍了一种自行研发与制作的比赛用灭火机器人。该机器人采用STC80C52单片机为主控芯片,结合使用步进电机和温度传感器来判断火源位置,利用红外测距传感器与直流电机完成机器人的行走和自动避障等功能。在控制算法上,采用"左右手定则"和无火不入房的策略,提高了寻找火源的效率。

关键词： SCARA机器人   轨迹跟踪控制   滑模控制   动态抓取   图像雅可比在线估计  

摘要： 目标工件的“抓取——放置”动作是自动化生产线上工业机器人最常见的动作之一，同时也是分拣、搬运、装配以及码垛的支撑性技术。SCARA机器人由于水平方向高柔性、垂直方向高刚性，而且体积小、质量轻、结构简单、高速、精准，故非常适用于抓取操作。传统示教机器人要求工作环境高度结构化，存在很大的局限性。因此，引入机器视觉技术，研究视觉引导的抓取机器人的控制技术，对提高机器人智能化水平有着重要意义。本文主要研究内容包括： 视觉引导的抓取机器人系统建模。本文以SCARA机器人为主体，结合工业智能相机和传送带，构建视觉引导的抓取机器人系统，并对其进行系统建模。系统建模主要包括SCARA机器人运动学建模，工业智能相机建模，末端工具建模，传送带与机器人、工业智能相机之间位姿关系的建模。对系统进行数学建模是实现后续的轨迹跟踪控制和视觉控制的基础。 SCARA机器人的轨迹跟踪控制。本文针对滑模变结构的抖振问题和趋近滑模面过程中的趋近速度问题，对SCARA机器人的滑模控制器进行了改进。首先针对快速终端滑模面的奇异性进行改进，设计了一种非奇异的快速终端滑模面;分析指数趋近律和幂次趋近律的优点，对趋近律进行了改进，同时采用双曲正切函数代替传统的符号函数，以消除滑模控制的抖振问题;通过自适应模糊控制调节趋近律参数，解决了由于初始状态误差过大时引起的力矩过大问题。 视觉引导SCARA抓取机器人系统动态目标抓取方法的研究。设计了一种“视觉系统+SCARA机器人+传送带”的动态目标跟踪方法，通过传送带上方的工业智能相机连续获取进入传送带的目标工件位置，结合传送带测速编码器位置反馈动态表示目标工件当前位置，并实时规划SCARA机器人运动轨迹，以完成随传送带一起运动的目标工件的动态抓取。并在LabVIEW平台上进行实验，实现运动目标的抓取。 基于无迹卡尔曼滤波的图像雅可比估计算法。为了实现对已抓取工件精确的放置，本文采用基于在线图像雅可比估计的视觉伺服控制策略，消除由于相机标定引起的误差。针对单目视觉，采用Eye-in-Hand安装方式的工业智能相机，本文提出了一种基于无迹卡尔曼滤波的图像雅可比估计算法，无迹卡尔曼滤波采用确定样本点近似非线性系统的概率分布来逼近非线性系统，相比传统卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波，有效地提高了图像雅可比矩阵在线估计精度。

关键词： 并联机器人   二自由度IMC原理   冗余驱动   力/位混合同步控制   联合仿真  

摘要： 针对目前对并联机器人控制性能要求的不断提高，本文以6PUS-UPU并联机器人为研究对象，系统的分析探讨了并联机器人的伺服控制策略、力/位混合同步控制技术、机械——控制联合仿真技术，并对样机进行了实验研究，验证了所提出的控制方法对改善并联机器人控制性能的有效性。具体内容如下： 结合现代控制理论中较新的二自由度控制原理和内模控制原理，对6PUS-UPU并联机器人的伺服控制技术进行优化，在原有的电流环和速度环基础上重新设计位置环并进行控制器的设计，最后对控制模型进行仿真验证，仿真结果表明所提的控制方法进一步改善了并联机器人控制精度和稳定性。 对6PUS-UPU并联机器人进行冗余自由度分析，并进行力矩优化；建立并联机器人的动力学模型和冗余驱动分支控制模型，在此基础上提出了基于交叉耦合的力/位混合同步控制策略，并进行了同步控制器的设计，实现了力/位混合同步控制。 建立了6PUS-UPU并联机器人三维模型，并对6PUS-UPU并联机器人的伺服内环进行了模型的建立和参数整定。通过对并联机器人机械——控制联合仿真，验证了与常规的PID控制相比，基于二自由度IMC原理的力/位混合同步控制具有更好的稳定性和位置跟随特性。 对6PUS-UPU并联机器人样机进行了实验研究，实验数据分析表明，所提出的基于二自由度IMC原理的力/位混合同步控制提高了并联机器人的运行精度，改善了控制系统的性能。