采用柔顺手腕(MICCW)的机器人装配作业实验系统

机器人装配对于柔性装配自动化具有广阔的前途,但由于机器人手付的定位精度低,装配零件尺寸的变化问题,直接采用现有工业机器人来实现装配作业是困难的。本文介绍了研制的采用机械阻抗可控制柔顺手腕的机器人装配作业实验系统,柔顺手腕是一种定位误差补偿装置,能够克服上述存在的问题,实现精密机械零件的装配作业。     

机器人加工几何误差建模研究:Ⅱ参数辨识与位姿优化

根据所构建的空间运动链,机器人加工几何误差一方面与手眼/工件/工具位姿参数辨识误差有关,另一方面与机器人关节运动学误差与弱刚度变形有关.针对这一问题,研究基于运动学误差补偿的手眼位姿参数辨识、考虑测量缺陷影响的工件位姿参数辨识、基于实际加工曲面误差估计的工具位姿参数辨识等新方法,解决位姿参数辨识精度受限于机器人运动精度、现场测点不封闭/密度不均/高斯噪音、加工抖动/受力变形/回转轴误差等多种因素影响的问题;综合考虑关节运动学误差、弱刚度变形、误差补偿,以整体误差控制为目标,建立加工误差补偿与机器人位姿优化通用模型,可推广应用于法向深度(磨削/铣削)、切向滑移(制孔)、角度倾斜(切边)等多种机器人加工误差控制;完成手眼/工件/工具位姿参数辨识试验、整体误差补偿与机器人加工试验,验证所提方法的有效性.     

机器人装配系统的误差分析和精度建模

对装配作业过程进行了严谨状态的描述;从工件的夹持位姿误差和基础装配件的定位位姿误差的角度出发,分析了产品装配过程的精度;考虑到误差传递的影响,建立了机器人装配系统的精度模型,最后用蒙特卡罗法进行模拟,结果与实际机器人吊扇电机装配线统计结果非常接近。     

机器人加工几何误差建模研究:Ⅰ空间运动链与误差传递

以机器人作为制造装备执行体,集成视觉等智能传感器,实现大型复杂零件小余量磨削/铣削/切边/制孔是智能制造的前沿研究方向之一,目前加工误差难以降低是制约其应用的主要难题.以加工误差降低为主要目标,以机器人、视觉传感器、工件、工具为主要对象,研究视觉引导的机器人加工几何误差建模与精度控制,具体包括:在第Ⅰ部分介绍几何误差建模与参数辨识国内外研究现状,研究机器人加工空间运动链与加工误差度量指标定义,推导静态误差(源于工件/工具位姿误差)定量传递模型与动态误差(源于关节运动学误差/关节弱刚度)定量传递模型;在第Ⅱ部分建立手眼位姿参数、工件位姿参数、工具位姿参数等精确辨识的目标函数与计算方法,在考虑关节运动学误差和弱刚度变形的情况下,提出面向整体误差控制的机器人加工(磨削/铣削/切边/制孔等)位姿优化通用模型.     

绳牵引并联机器人的静刚度解析

基于微分变换和线几何理论,建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型,推导刚度矩阵的数学表达式.模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响,而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化.通过线矢量的引入,分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵.模型表明,绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成,其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性;另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积.大射电望远镜5m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效.     

机器人装配系统的精度分析

分析了机器人装配系统中引起装配件和装配基础件相对位姿误差的主要误差来源,即机器人运动参数误差、各关节的间隙和制造误差、工件传递装置的定位误差、夹具夹爪的定位误差等;并推导出了以上各误差对装配件和装配基础件间相对位姿误差的影响关系式,为机器人自动化装配系统的设计提供了理论依据。     

绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

工业机器人误差补偿技术的理论与实验研究

针对工业机器人重复精度高、定位精度差的特点,提出一种改进其绝对定位精度的方法。根据D-H坐标系的相关理论,综合考虑机器人各关节的误差,运用五参数法建立机器人的完整几何误差模型。基于误差模型,提出机器人位姿补偿的多次迭代算法,实验结果显示工业机器人的绝对定位误差由未补偿的25 mm变为补偿后的0.3 mm,从而证明该方法的有效性。     

可重构机器人模块间装配误差识别方法研究

基于对可重构机器人配对接口间位姿误差的分析划分,研制模块间装配误差在线测量识别接口,建立配对接口位姿误差与接口几何结构偏差之间的关系模型,进而建立配对接口位姿误差与配对接口内部测距传感器测量值之间的映射关系模型,提出一种基于内部测距传感器位移量的模块间装配误差在线识别、补偿方法.为验证方法的正确性,研制单关节?连杆试验平台.试验结果表明装配误差经在线识别、补偿后,连杆末端的位置误差平均值减少7倍多.     

基于迁移学习的铣削机器人定位误差补偿方法

空间网格补偿法是提高机器人定位误差的有效方法之一,然而由于所需采样位姿多导致误差测量环节非常耗时,为提高机器人定位误差补偿效率,提出了一种机理分析与数据驱动的铣削机器人定位误差补偿方法,基于迁移学习来预测机器人工作空间内不同区域的定位误差。首先建立机器人刚柔耦合误差模型,研究立方体与柱体工作空间内不同区域的误差分布特性;之后,考虑误差区域相似性将机器人工作空间分为源域空间与目标域空间,在源域空间基于分级采样策略将完备的机器人采样位姿及误差测量数据作为源域数据,对于目标域空间只需要将少量的采样位姿及误差数据作为目标域数据,源域数据与目标域数据均用于训练高斯过程回归模型,通过基于加权拟合误差的子空间对齐和自适应权重迭代方法提升迁移学习模型预测精度,根据指定机器人位姿参数预测并补偿机器人定位误差;最后,使用KR160铣削机器人系统进行了误差补偿试验以验证该方法的可行性和有效性,试验结果表明,经过补偿后机器人定位误差1.499 mm降低到0.182 mm,所需机器人采样位姿数目减少了70%,使用铣削机器人加工法兰孔,其轮廓误差和位置误差达到0.269 mm和0.331 mm,该方法可以提高补偿...     

一种协作机器人位姿重复性优化综合

在给定位姿重复性要求的前提下,寻找各关节随机运动精度的最优分配方案能够使协作机器人设计更加合理,对降低机器人制造成本有重要意义。首先,在机器人位姿重复性分析的基础上,建立了位姿重复性数学模型,该数学模型包含机器人位置重复性和姿态重复性;其次,以协作机器人KUKA iiwa 7为例,以关节运动误差最大化为优化目标,对该机器人位姿重复性进行优化综合,获得各关节随机运动精度的最优分配方案;最后,对KUKA iiwa 7机器人进行位姿重复性实验,结果验证了该方法的正确性,基于该方法的精度设计结果能够使协作机器人设计更加合理。     

Development of a masticatory robot using a novel cable-driven linear actuator with bidirectional motion

Masticatory robots are an effective in vitro performance testing device for dental material and mandibular prostheses. A cable-driven linear actuator (CDLA) capable of bidirectional motion is proposed in this study to design a masticatory robot that can achieve increasingly human-like chewing motion. The CDLA presents remarkable advantages, such as lightweight and high stiffness structure, in using cable amplification and pulley systems. This work also exploits the proposed CDLA and designs a masticatory robot called Southeast University masticatory robot (SMAR) to solve existing problems, such as bulky driving linkage and position change of the muscle’s origin. Stiffness analysis and performance experiment validate the CDLA’s efficiency, with its stiffness reaching 1379.6 N/mm (number of cable parts n = 4), which is 21.4 times the input wire stiffness. Accordingly, the CDLA’s force transmission efficiencies in two directions are 84.5% and 85.9%. Chewing experiments are carried out on the developed masticatory robot to verify whether the CDLA can help SMAR achieve a natural human-like chewing motion and sufficient chewing forces for potential applications in performance tests of dental materials or prostheses.     

基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计

针对柔性关节对工业机器人动力学特性的影响,基于“转子-扭簧”模型和有限元法,研究关节刚度对机械臂固有动力学特性的影响规律;考虑臂杆柔性和关节柔性,建立了机械臂多柔体动力学有限元模型,以机械臂轻量化为设计目标,以末端总位移量为约束条件对机械臂结构进行优化。研究结果表明,不同关节刚度对机械臂各阶固有频率的影响不同,优化后的机械臂载重/自重比增大,刚度和强度均得到提高,整体动力学性能明显提高。     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

3自由度柔性微机器人的静刚度分析

柔性微机器人要求具有很高的定位精度，而其静刚度在很大程度上决定着这一指标。针对目前对柔性微机器人静刚度分析中存在的不足，采用了结构分析中的柔度矩阵法：首先建立起机构中柔性单元的柔度模型，同时通过不同坐标系间的转换和单元节点处位移协调方程和力平衡方程的建立，递推出机器人末端相对参考坐标系下的静刚度矩阵。最后，以3自由度并联柔性微机器人为实例分析了该机器人的静刚度。分析表明：利用柔度矩阵法分析柔性微机器人运动学问题不仅便于计算，更接近柔性机构的本质。     

气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

四足机器人的仿生机体,大多采用刚性或单自由度机体结构,限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析,设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体,可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构,分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度,提出一种仿生机体的串并联式刚度模型,建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系,探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台,分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验,分析其主动变刚度特性。实验结果表明,通过改变气动肌纤维的布置及充气压力,能实现仿生机体的动态弯曲,具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式,为提高四足机器人的机动性提供借鉴。     

六自由度平台动力学前馈柔顺控制研究

与串联机器人相比,六自由度平台具有刚度高、承载能力大等优点,更适合于大型工件的装配.当机器人处于对接和装配状态时,机器人末端受到来自外部环境的力和力矩作用,对机器人的柔顺控制是执行任务的基础.提出了一种基于摩擦补偿的动力学前馈柔顺控制方法,首先建立Stewart平台的动力学模型,利用库仑摩擦模型和黏性摩擦模型对伺服电动...     

6R机器人及其末端位姿编程求解

焊接机器人是工业机器人大家庭中的望族 ,目前 ,国内应用已具有一定规模 ,但许多单位在需要自己编程焊接新的工件时 ,会感到困难重重 ,影响了自动化设备的使用。本文用C语言编程来计算其末端位置与姿态 ,为控制手臂末端焊枪的运动轨迹作了一些探索。     

含弹性杆件的并联机器人刚度分析

通过分析包含弹性杆件的并联机器人的刚度系数的性质,计算了机器人在各方向上的刚度,绘制了最小刚度系数的变化曲线,研究了刚度与奇异位形、机器人的固有频率及弹性振动振幅的关系.计算实例表明,刚度系数和奇异位形、机器人的固有频率有密切的联系,可用于预测含弹性杆件的并联机器人的弹性动力学特性和响应,不需要进行弹性动力学计算,计算时间节省94%.