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关键词： TwinCAT   组态软件   工业机器人   机械臂  

摘要： 由于传统工业机器人控制技术稳定性差,运动轨迹容易出现误差,研究基于TwinCAT组态软件的工业机器人控制技术。基于TwinCAT组态软件建立机械臂D—H模型,在确定关节与连杆参数后,利用运动学与笛卡尔空间理论,确定位置正解与逆解参数,通过控制机械臂末端阻抗,增加柔顺性与轨迹跟踪控制能力,实现对工业机器人的控制。测试结果表明:在使用了TwinCAT组态软件后,工业机器人运行过程的轨迹与软件内设定好的轨迹相重合,可见所研究的技术达到了预期效果。

关键词： 机器人控制   机器人建模   PID控制   教学案例   实践教学  

摘要： 针对目前《机器人控制技术》课程存在的教学知识点不连贯、缺少通俗易懂综合性案例等问题开展研究,结合作者多年的教学经历,本文设计了一个基于PID的机器人控制系统案例,从系统建模到控制器,再到仿真效果展示,将学生需要掌握的知识点在同一个案例中呈现,培养学生理论联合实际的能力,同时该案例可通过改变要求增加项目难度,以供不同进度的学生学习。

关键词： 双臂协作机器人   工业自动化   协作   无人工厂  

摘要： 目前国内的双臂协作机器人技术还不成熟,控制技术较困难,成熟的产品负载很小,应用的场景十分有限。随着工业自动化的提高,但又面临各种技术瓶颈,发展人机协作的工作模式十分必要。目前,利用现有成熟的单臂协作机器人技术,我们进一步开发研究,设计出一种双臂、负载较大的协作机器人。研究出一种符合工业应用的双臂机器人结构以及成熟的一套双臂控制系统。实现人工安全协作,提升工厂的自动化以及安全率。为工业4.0提供一个良好的过渡,也将这种成熟自动化技术将来应用到无人工厂,实现工厂全自动。

关键词： 接触作业空中机器人   变胞机构   自抗扰控制   无源控制   控制分配  

摘要： 机器人技术的进步和应用拓展,正不断改变着人类生产与生活的方式,同时也对其理论和技术的研究提出新的要求。近年来,可搭载作业装置且能够与环境中物体发生交互的接触作业类型空中机器人正逐渐成为研究热点。本文以该类空中机器人为研究对象,以旋量代数为理论核心,着重研究空中机器人与作业对象发生接触作业时的力学现象与控制策略,并构建出一款接触作业空中机器人(Physical Interaction Aerial Robot,PIAR)开展实验验证。 针对接触作业类空中机器人在非结构化环境空间中运动作业时面临的稳定性、灵活性、环境共融性等挑战,将运动和作业所在的环境抽象为旋量代数理论中的特殊欧氏群空间(Special Euclidean Space,SE(3)),并在SE(3)下定义机器人运动作业时的物理量。在研究过程中涉及到机械、力学、控制、计算机、通信等多个学科的专业内容,相关研究理论均以SE(3)下的李群、李代数及有关对偶、射影空间的数学理论为基础。 本文的主要研究工作和创新点如下: 1)针对空中机器人作业时缺少运动模式动态切换机制的问题,提出一种新型面对称布局倾转多旋翼式空中机器人构型。以变胞机构理论为支撑,将常规多旋翼的圆周阵列式对称结构改进为面对称结构,通过在驱动机构上增加运动副将多旋翼平台由常规的欠驱动方式改变为过驱动,以实现机器人空间运动模式的切换;同时,设计了可重构控制分配方法,通过对控制力旋量的再分配实现空间运动模式在欠驱动与过驱动之间的转换。 2)针对PIAR运动模型不够精确的问题,提出基于端口-哈密尔顿框架(Port-Hamiltonian Framework,PHF)的空中机器人建模方法,将整个机体与环境视为SE(3)空间中的实体,并用旋量表示机体和环境的相关物理量。通过PHF方法,一个哈密尔顿系统的运动与力学表现统一为能量消耗,将传统理论下的空间平移与转动统一为有限螺旋位移,且空间运动中的位移、速度及力/力矩均以旋量描述,为后续的控制器设计奠定全新的数理基础。 3)针对运动模式转换的变胞特性和内外多扰动因素对PIAR运动控制的影响,提出一种基于力旋量观测器的自抗扰控制器(Wrench Observer based Active Disturbance Rejection Control,WO-ADRC)。该控制器将环境中多种因素扰动视为一个“总扰动”,采用六通道并行结构,并增加力旋量观测器对物理接触阶段进行观测以获得接触产生的力旋量,从而改变控制器参数和控制分配矩阵参数,以提高PIAR在自由飞行、物理接触及过渡阶段的灵活性与稳定性;再通过串级控制结构,分别对刚体位形和速度旋量进行控制,降低控制器参数数量和整定难度;仿真模拟的多个实验任务验证了控制器的有效性与抗扰性。 4)为进一步深化基于PHF的动力学模型在空间运动作业下精确表示,弥补WO-ADRC控制器参数整定复杂的缺点,提出一种能量守恒约束的无源性控制方法(Energy Balanced Passivity-Based Control,EB-PBC),将控制器的输入输出物理量以能量方式进行描述,设计出相应的能量守恒无源控制器;然后通过自由飞行和物理接触阶段下的多种实验任务仿真,验证所设计无源控制器的稳定性和有效性,证明EB-PBC能有效提升WO-ADRC控制器的性能。 5)设计实现了PIAR物理样机,并开展针对PIAR机体结构及其控制方法的整体验证。在控制系统硬件结构上,PIAR采用Pixhawk+Xavier组合;在控制软件实现上,对Pixhawk上搭载的PX4框架进行二次开发,实现了传感数据采集和状态估计,同时对Xavier上搭载的ROS软件框架进行控制器算法、控制分配等功能的开发。物理实验包括:地面刀具实验、环绕飞行实验、悬停变姿态、树木切割实验等多个科目,验证了PIAR系统设计的合理性和有效性。

关键词： 管道全位置焊接   机器视觉   非线性回归   控制系统   焊缝成形  

摘要： 焊接作为一种工业连接方式,在大型金属设备和管道焊接基础建设工程项目中,发挥重大作用。在管道焊接领域,无论是传统手工焊接,还是半自动化焊接,都面临着劳动强度大,焊接效率低的问题。针对以上问题,开发了一套基于机器视觉与非线性回归的全位置焊接控制系统,旨在改善焊接质量,提高焊接效率,降低人工作业负荷。首先,确定“工控机”+“PLC”+“触摸屏”的系统框架,设计包括视觉模块、无线模块、控制模块和执行模块的系统整体方案。利用工控机处理图像信息,实现焊缝跟踪纠偏量的计算,通过PLC控制执行模块如焊接机器人和数字化焊机的动作,采用触摸屏作为数据显示和指令传输的载体,实现人机交互功能。其次,建立了焊接影响因素与焊接工艺参数之间关系的数学模型。通过分区试验的方法,验证了当固定焊接参数时,熔池流动受重力影响,在同一管道的不同位置呈现形态不同,而在不同管道的同一位置呈现出相似形态。本文根据不同焊接位置的特点将整个管道细分为16个区域,试验证明焊接电流I、焊接电压U和焊机机器人爬行速度V对熔池形态及焊缝成形影响较大,并拟合出上述三个参数与待焊工件焊层宽度d、焊层高度h和焊接机器人爬行角之间的函数方程。再次,设计了获得焊缝坡口拐点坐标的图像处理算法。其处理流程如下:第一步,依据焊缝图像干扰噪声的特点,先通过维纳滤波方法在不破坏图像边缘信息的前提下去除高频噪声信号,然后采用均值滤波方法平滑图像处理高斯噪声,并利用冲击滤波方法获得清晰的图像边缘;第二步,设计聚类算法,进一步获取图像中的有效特征信息,提高精度;第三步,采用拟合方法将上一步提取到的图像特征点拟合成直线段,并计算出图像中焊缝的高度和宽度。最后,设计了管道全位置焊接机器人样机,并搭建了焊接试验平台。视觉模块、无线模块、控制模块和执行模块协调配合,实现了全位置自主焊接。焊接试验结果显示,焊缝高度和宽度偏差分别小于0.5mm、0.2mm,满足焊接精度要求。本课题对管道全位置焊接控制技术进行了研究,开发了全位置焊接控制系统。该系统实现了焊接全过程工艺参数的柔性控制,试验结果表明,本系统在优化管道焊接质量,提高焊接效率方面表现良好,焊接表面成型稳定,具有良好的工程现场焊接应用前景。

关键词： 专用机械手   工业以太网   EtherCAT   运动学逆解   轨迹规划   运动控制  

摘要： 本文以六轴串联机械臂为研究对象,以机械臂运动学和轨迹控制技术研究为基础,利用EtherCAT技术实现六轴机械臂的运动轨迹控制。为后续多关节机械臂复杂运动轨迹,高精度运动轨迹下的轨迹控制技术研究打下基础。机器人运动学是运动控制技术的基础。文中以机器人坐标变换和正逆运动学分析为基础,改进了基于几何的串联六轴机械臂运动学逆解的计算方法。并将末端位姿由常用的齐次矩阵表示,改为由三个特征点表示。逆解计算时先分析末端位姿到达目标位姿时,机械臂连杆可能的姿态。以其中一种姿态为基础,根据连杆间的几何关系求解出一组可能的逆解。再将第1、3、4轴视为关键轴。末端目标位姿下每个关键轴有两解,分析并计算出各关键轴的另一个可能解。将三个关键轴的解进行组合,得到关键轴的8组解。根据关键轴转角的取值计算出其他轴的转角值,得到末端位姿到达目标位姿时旋转轴转角值的8组解。最后通过验解计算证明了证逆算法是精确可行的。接着用三特征点的方式进行机械臂轨迹规划及插补。用齐次矩阵表示末端位姿时,轨迹规划的计算过程较复杂。将末端位姿用三个特征点表示,可以简化轨迹规划的计算过程。末端位姿的轨迹用三个特征点的三条轨迹线表示。轨迹规划时相当于分别对三个特征点的运动轨迹进行规划。对规划出的机器人运动轨迹进行插补,通过逆解算法计算出插补点的关节转角,用得到的关节转角曲线来控制旋转轴的转动,从而实现机械臂的轨迹控制。基于三特征点改进直线和螺旋曲线的轨迹规划方式,并在MATLAB上进行轨迹运动仿真,验证了文中轨迹规划和插补方法是可行的。最后根据EtherCAT系统的原理及构成,选择相应的设备搭建实验平台。利用EtherCAT实现机械臂的运动轨迹控制。在MATLAB上计算出运动轨迹插补点对应的关节转角数据。在TwinCAT3软件上编写运动控制程序,将关节转角数据插入到控制程序中,以此实现机械臂的运动控制。实验结果表明用EtherCAT技术实现串联六轴机械臂的轨迹运动控制是可行的。

关键词： 协作机器人   碰撞检测   零力控制   主动柔顺控制   模糊自适应  

摘要： 随着工业4.0时代的到来,以及智能制造技术的不断发展,传统的工业机器人难以胜任诸如柔性装配、表面加工等需要与外界环境直接接触的复杂任务,也无法适应复杂多变的工作环境。此背景下,面向人机协作并能与外界进行直接交互的协作机器人得到了广泛的关注和研究。本文以协作机器人为研究对象,对面向人机协作的机器人关键技术展开理论与实验研究,包括柔性关节动力学建模方法、碰撞检测方法、零力控制方法和主动柔顺控制方法。 首先,针对协作机器人的柔性关节结构,基于Spong的假设,采用拉格朗日方法建立了其完整的和简化的动力学模型。介绍了用于本文验证实验的2-DOF协作机器人实验平台,整个平台由机器人本体、控制软件和电气控制系统三部分组成。为了优化控制效果,还确定了实验平台的DH参数和惯性参数等重要参数的设计值。 其次,针对人机协作场景中,机器人易与人员和外界环境发生碰撞进而危害人机安全的问题,采用基于广义动量的碰撞检测算法实现了机器人的碰撞检测功能。该算法无需安装任何力矩传感器,仅通过测得的关节连杆角度和角速度便可实现对碰撞力矩的估计,可极大地降低机器人的生产成本。同时,还提出了三种碰撞响应策略:零力控制策略、弹簧振荡策略和停止等待策略,以应对不同的碰撞场景,充分保障人机安全。 然后,针对机器人示教效率低下的问题,提出了一种阻抗控制框架下基于关节力矩反馈的零力控制方法,以实现对机器人的直接拖动示教。该方法鲁棒性强、性能稳定,可实现对机器人任意关节的零力控制。同时,通过设置较低的刚度增益,在使用设计参数的条件下便能达到良好的零力控制效果。 最后,针对传统的柔顺控制算法面对复杂环境适应性差的问题,提出了基于模糊自适应的导纳控制算法。该方法在固定参数的导纳控制算法的基础上增加了一个基于规则自适应的模糊调节器,该调节器以接触力和接触力的变化率为输入量,根据给定的模糊规则动态调整阻抗参数,进而调节机器人的柔顺性能,以适应外界环境的变化。 上述所提的策略和方法均利用本文的实验平台进行了实验验证,并证明了可行性。

关键词： 软体机器人   微创手术   永磁系统   磁操控  

摘要： 生物学在很多方面都激发了研究人员的灵感。100多年前,飞机的诞生就来源于一个人类幻想能像鸟类翱翔于蓝天的灵感。上世纪50年代,为了改善汽车的外形,提升汽车的性能,美国福特公司的设计师们曾借助潜水艇潜入加勒比海中,通过观察鱼儿游过窗户时留下的优美曲线寻找设计灵感。近年来,从大自然中获取灵感诞生各种各样仿生机器人的示例也是累见不鲜。蛇、象鼻、舌头和章鱼触须在杂乱的环境中表现出令人难以置信的移动、操纵和灵巧能力,这也激发了研究人员在机电设备中重塑他们的能力,促成了软体机器人领域的快速发展。这些仿生机器人也被整合到世界各地的手术室中,用于在狭窄而复杂的、人类开放性手术器械无法工作的环境中执行微创手术任务,例如细胞操作、微装配、微创治疗、污染物降解、靶向给药、定向诊断和血管介入等,实现或者改进了许多新的微创外科手术。微创介入手术是治疗血管内疾病的常见手段,尤其是在腹部手术中,微创手术已经替代开放性手术成为黄金标准。与开放性手术相比,微创介入手术具有创口小、恢复快、不用全身麻醉,手术风险低等优势。导管和导丝是进行微创手术比较常见的工具。由于普通导管/导丝不具备方向选择和自动推进的能力,当前的微创介入手术还存在许多的弊端诸如手术时间较长、对医生和患者辐射量较大以及大量缺乏有经验的医生等。因此,本课题围绕介入导管软体机器人的设计、磁操控系统的设计与搭建、在磁场中的偏转特性及其在三维仿真血管模型中的导航性能展开了深入研究。首先,设计并搭建了一整套三维空间内具有友好人机交互性的全方位多自由度的磁操控系统。该系统在软件上包含了主控制线程、电机驱动线程、视觉反馈线程、界面显示线程以及曲线绘制线程等模块,并预留了触觉传感器接口以便用于接收介入导管软体机器人尖端接触力的反馈。硬件上,该系统可分为驱动模块、执行模块,驱动模块包括主机、ECI3808运动控制卡、电机驱动器、摄像头和触觉传感器,执行模块包含两组相互对称的直角坐标机械臂和每个轴上的限位器组成。在每组机械臂的z轴上安装有一个永磁体,控制机械臂的运动即可调整永磁铁的位置和姿态,从而操控软体机器人在三维空间内任意方向上发生转向。其次,设计了一种具有大角度偏转能力的磁导航介入导管软体机器人,该机器人由在普通医用介入导丝头部嵌入一个柔软的磁性驱动器制成。分析了磁导航介入导管机器人在外加磁场作用下的偏转模型,并建立了相关的数学模型。并通过实验进一步验证该模型的合理性和准确性。最后,探索了介入导管软体机器人在外加磁场中的偏转特性及其在圆环和仿真血管中的导航能力。实验结果表明,所设计的介入导管软体机器人能发生大角度偏转,且能胜任在复杂且受限的血管环境下进行微创介入任务。

关键词： 水下搅拌机器人   动力学建模   控制系统   模糊自适应   遗传算法  

摘要： 活性污泥法作为污水生物处理技术,是在充氧条件下,将废水与活性污泥混合搅拌并曝气,分解去除污水中的有机污染物,以实现污水的生化处理。在污处理过程中,当氧量过高时,需停止对爆气池注氧,但此时含有生化成分的污泥会沉积,影响污水在曝气池中的处理效果。混合搅拌作为活性污泥法的核心技术,目前多使用固定的机械搅拌,存在搅拌死区、氧浓度不均匀等问题,以移动搅拌替代传统的机械搅拌作为新的技术方案,能够有效提高净化效率。本课题旨在研究解决上述问题的水下搅拌机器人及控制系统,利用可移动载体搭载搅拌设备完成搅拌作业,并以有效的控制方式在曝气池中准确地进行确定航线作业和定点作业,以达到污水的生化处理效果。本文首先针对曝气池实际的环境与工作需求,确定了水下搅拌机器人的技术指标,综合考虑曝气池的水下环境,以机身配备双曲面搅盘优化机器人结构,在本体上布置6个推进器实现装置全驱动,并针对添加的移动载体与搅拌作业装置按照配重要求进行计算,保证水下搅拌机器人的平衡性。其次,对水下搅拌机器人系统的受力进行分析,针对水下搅拌机器人系统进行动力学和水动力建模,并对水下搅拌机器人耦合效应进行研究。考虑水下搅拌机器人的本体与水下搅拌设备的交互效应,建立整体的动力学模型,通过解耦计算得到控制模型。然后,考虑曝气池水下环境的湍流干扰,应用模糊规则自适应优化的控制系统参数,设计了模糊自适应控制器并仿真,为提高模糊自适应控制的精度,应用遗传算法优化模糊控制的隶属度函数和模糊规则,设计了基于遗传算法的模糊自适应控制系统,仿真结果表明,即使在动态模型存在不确定性扰动的情况下,进一步有效解决了曝气池水下环境的强湍流影响问题,控制精度控制在0.1s以内。最后,搭建水下搅拌机器人的实验平台,依据水下搅拌机器人电子舱的体系结构,确定水下搅拌机器人监测系统的总体方案,然后根据各传感器和水下主控系统的数据通讯,开发了模块化的Lab VIEW水下搅拌机器人实验监测平台。实验结果表明,本文所提GA模糊自适应控制策略显著提高了水下搅拌机器人运动稳定性,说明该方案是可行的,能够应用于曝气池移动搅拌工作。

关键词： 康复机器人   运动数据采集   LabVIEW   模糊PID算法   运动控制  

摘要： 康复机器人结合了康复医学理论与机器人控制技术,是医工结合的重要发展方向之一,通过对现阶段康复训练中使用的辅助康复器械做了深入调研,分析了国内外相关领域的研究现状,围绕康复训练辅助设备控制问题,提出了一种基于人体动作感知的康复机器人主动控制技术。首先基于康复机器人的主动控制要求构建了机器人系统的主体框架,确定了康复机器人主要由数据采集系统、体重支持系统、动力驱动系统和上位机数据管理系统四个部分组成,并对每个部分的设计思路和在其系统中完成的主要功能进行了介绍,本课题主要完成了以下工作:(1)分析了偏瘫等下肢功能运动障碍患者的运动姿态特点,基于解剖学中人体的轴与面描述了患者行动时关节与肌肉的状态,了解了人体下肢运动特点以及偏瘫患者步态的形成原因。根据偏瘫患者步态特征确定了人体动作识别方案和康复机器人总体设计方案,建立了康复机器人的运动数据采集系统,得到表征人体姿态行为变化的相关信息。(2)提出了基于多传感信息的人体运动姿态识别算法。上位机系统首先训练患者康复过程中通过无线传回的传感数据信息,形成训练数据集,最后通过朴素贝叶斯分类器依据数据集实时识别人体当前动作,并预测下一时刻人体动作,最后对人体动作分类识别算法进行仿真测试验证了该算法的有效性。(3)针对下肢运动功能障碍患者术后康复训练辅助设备的跟随控制问题,提出了一种基于人体姿态信息的下肢康复机器人主动运动控制方法。建立了下肢康复训练机器人的运动学模型,并基于模糊PID控制算法设计了跟随控制器,通过仿真和实验验证了该控制算法能够有效减小机器人实时跟踪使用者运动过程中的误差,实现了康复机器人对人体运动姿态良好的跟随效果。(4)基于LabVIEW开发环境设计了康复机器人上位机数据管理系统。康复机器人运动数据采集系统通过WIFI将运动数据无线传输到上位机系统,上位机系统解码数据后将数据以波形图形式进行可视化显实时显示,同时将人体运动数据分类管理,实时保存到本地文件夹,康复训练结束后还可以再次导入数据复现曲线,重现康复过程,便于后期分析患者康复情况。