模块化机器人的双输出CPG网络调相运动控制

为了增强模块化机器人的灵活性,以及对其多模式运动进行更简单有效地控制,结合阵列式和串联式自重构机器人的特点,设计基于万向式关节的双自由度UBot模块,并根据两个关节之间的相互抑制关系,结合生物学的中枢模式发生器(CPG)运动控制原理,设计具有双输出的CPG网络调相运动控制器.通过调整CPG间的连接权重以及每个CPG中两组输出的关系,调解运动控制信号间的相位差值,有效地控制UBot模块化机器人的整体协调运动.应用这种控制方法控制了模块化机器人的3种运动模式:四足运动、蠕动和多节虫运动,在ADAMS仿真环境下进行了运动仿真实验,并在UBot模块化自重构平台上分别进行了3种构型的实体运动试验.实验结果验证了双输出CPG调相网络对模块化机器人运动控制的有效性和实用性.     

水下自重构机器人游动构形的稳定性分析

针对水下自重构机器人游动构形的稳定性问题,本文提出了以恢复力矩作为量化参数的水下自重构机器人游动构形的稳定性判据。考虑到水下自重构机器人是由相同模块组成,提出先计算各个模块的恢复力矩,然后以参考模块为基准进行叠加。以水下蛇形构形的游动为例,介绍了恢复力矩的计算方法,并分析了关节摆动对恢复力矩的影响。分析结果表明:该方法可以准确、高效地描述水下自重构机器人游动构形的稳定性。     

基于“风车”形子单元的自重构机器人运动及自重构规划

自重构机器人区别于其他类型机器人的一个重要特征是其在具有移动能力的同时还具有自重构能力.为了赋予自重构机器人这2种能力,在分析DL-Cube(double L-cube)自重构机器人单元模型的结构特性基础之上,设计了基于"风车"形子单元的分层规划算法,实现了由"风车"形子单元构成的自重构机器人构形在平面内的运动;同时,借助于"风车"子单元自身具有的移动、转变模块方位、携带模块能力,机器人实现了平面内由24模块组成的"长方形"初始构形到目标构形为"H"构形的自重构.通过运动和重构仿真实验,验证了分层规划算法的有效性及利用"风车"子单元进行自重构的可行性.     

新型自重构机器人钩爪式连接机构

分析了自重构机器人重构和运动过程中连接机构的功能和作用,设计了一种新型钩爪式连接机构。该机构在机器人运动过程中为相邻模块提供可靠的连接,在重构过程中可迅速完成相邻模块的连接/断开。连接机构由微型直流电机、主动钩爪连杆结构和被动连接基板组成,具有模块连接对中功能,连接后机构自锁,无需电机力矩保持,节省能量。分析了该连接机构的工作原理、对接条件和力学特性,并进行了实验研究。结果证明:该连接机构具有较好的性能,并且在一定的几何误差下仍能完成连接。     

机床夹具可重构模块化设计方法研究

:如何提高机床夹具设计的效率和质量是计算机辅助工艺装备研究的一个重要问题.在分析机床夹具可重构模块和模块系列规划过程的基础上,提出一种基于公理化设计与设计结构矩阵集成的机床夹具可重构模块化设计方法.该方法以设计过程中的共性单元归并和信息、过程的重用问题为切入点,采用设计结构矩阵建立产品内构件间相互关系,得到合理的模块化夹具产品结构,实现可重构模块拓展变换来实现夹具快速设计.夹具实际实例验证表明,本文设计方法有助于实现机床夹具可重构模块化快速设计,具有较好的应用指导意义.     

模块化自重构机器人的设计和运动规划

研制了新型模块化自重构机器人DL-CubeII(Doble L CubeⅡ)系统,相对于DL-CubeⅠ系统,DL-CubeⅡ设计了一种小型旋转钩子连接/断开机构用来代替I型中采用的内平衡磁铁结构,在中转机与机器人模块之间采用更可靠的无线通讯;软件方面,提出了一种基于模块规则库和宏动作的启发式规划方法,可以对任意初始构型的机器人在复杂环境中到达指定目标质心位置进行规划。最后给出了硬件实验和几个仿真实验,验证了机器人连接机构的可靠性和自重构算法的可行性。     

机器人基坐标系精确标定的对偶四元数法

针对离线编程系统中机器人在世界坐标系下的位姿描述问题,提出一种利用对偶四元数精确标定机器人基坐标系的方法.首先在利用指数积公式建立机器人正运动学模型的基础上,推导了基于单位对偶四元数表示法的机器人基坐标系标定模型,该模型将世界坐标系与机器人基坐标系之间坐标转换的旋转与平移过程进行统一描述;其次,以对偶四元数的几何性质为约束条件,建立最小方差目标方程,引入拉格朗日乘子法求解最优的位姿变换矩阵;最后,对6自由度串联机器人进行了标定实验.实验结果表明,该标定方法可以有效解决工业应用环境中机器人的基坐标系标定问题,同时也为机器人手眼标定、多机器人协作基坐标系标定问题提供了参考依据.     

新型可重构机器人分布式控制方法的研究

基于可重构机器人的机械、电气、驱动的模块化特点,建立机器人分布式控制系统.提出了分布式控制算法,采用变步距的方法,提高算法的迭代速度和精度;通过微分凑整的方法,解决模块运动抖动问题;提高模块的智能判断力,减少迭代的时间,提高控制的效率.基于算法规划控制的工作过程,最后进行仿真试验,验证可重构机器人分布式控制的实用性和可行性.     

改进的单特征点机器人手眼自标定方法

针对手眼标定过程要求机器人运动次数过多的缺点,提出了一种改进的单特征点手眼自标定方法.引入手眼关系矩阵的解耦运算,分别标定手眼旋转矩阵和平移向量.运算过程无需计算特征点位置,操作过程仅需机器人末端有5次以上平移运动和2次以上旋转运动.实验与误差分析结果表明,所提方法满足工业机器人手眼视觉测量的需求.     

基于设计结构矩阵族的过程建模方法研究

针对产品开发过程中迭代多和协同效率低的问题，提出基于设计结构矩阵族(DSMF)的过程建模方法.基于传统的设计结构矩阵(DSM)理论，分析了基于行为、零部件和参数的DSM应用间的关系.将各类矩阵按照其拓扑关联系统地集成起来，构成DSMF，以矩阵族形式建立了DSMF模型.利用对模型中子矩阵的变换，研究了优化过程结构的策略，并用于减震器贮液筒的设计建模和优化.结果表明，与传统方法相比，该建模方法更好地描述了过程中设计行为、零部件和参数间的复杂迭代关系，建立了信息完整和层次分明的过程模型，为深入至参数层的过程结构优化提供支持.     

分级优化自重构构形匹配策略研究

针对机器人自重构过程中的构形匹配问题,提出了基于分级优化机制的自重构构形匹配策略．首先以待匹配方案与目标构形之间的公共连接作为一级优化目标;在一级优化结果的基础上结合构形连通性这一特点构造新的目标函数,即以匹配方案与目标构形之间的公共拓扑作为二级优化目标．通过设置两级优化目标,简化了构形匹配的过程．最后利用遗传算法对所提出的构形匹配方法进行了验证,结果证明了该匹配方法的可行性．     

基于卷积力矩观测器与摩擦补偿的机器人碰撞检测

针对常规工业机器人在未知环境下运行时可能产生碰撞的安全性问题,提出一种新型的机器人碰撞检测算法. 设计卷积力矩观测器,通过实时观测关节输出力矩与动力学估计力矩的偏差实现机器人碰撞检测. 为了避免机器人处于不同位姿、运动状态等情况下关节摩擦对机器人碰撞检测的干扰,采用静态LuGre模型对关节摩擦进行补偿. 通过对实际工业机器人的运动监测,辨识出更加准确的静态LuGre模型参数. 该碰撞检测算法无需加速度信息,避免了对位置反馈信息二次求导所带来的计算误差. 关节力矩基于关节伺服驱动的电流信息获取,无需安装专门的力/力矩传感器,从而在常规工业机器人无需额外配置的情况下,只需采集机器人关节驱动电机电流和位置信息即可实现碰撞检测. 通过人与机器人交互实验验证了该碰撞检测算法的有效性.     

换挡工况下湿式换挡离合器变胞机理

针对目前难以全面描述湿式换挡离合器变结构、非定常和非数值的变拓扑工作过程的问题,基于湿式换挡离合器工作特性的分析,定义摩擦对偶片各构态的约束函数,建立摩擦对偶片变胞器,提出湿式换挡离合器变胞的图形描述方法. 采用矩阵分析法,以约束函数为元素,推导离合器各构态的邻接矩阵,解析相邻构态转换时对应的变胞函数和变胞方程,构建湿式换挡离合器工作的变胞拓扑模型,揭示换挡离合器工作状态转换的变胞机理. 基于变胞机理分析,提出更直观和简便的离合器动力学建模方法,通过对比分析离合器转速变化规律的试验和仿真结果,表明该方法的准确性和可行性.     

可重构机器人构形平面的工作空间研究

采用构形平面匹配的方法进行可重构机器人运动学求解时,构形平面的工作空间求解是一个关键问题.为此,提出了一种基于构形平面的工作空间表示方法.首先建立可重构机器人基本模块的运动学模型,根据基本模块的运动学模型按照构形平面划分规则划分可重构机器人工作构形,然后研究典型构形平面的工作空间,找到快速、相对简洁的工作空间表示方法.最后,通过实例进行验证工作空间表示方法的有效性和可行性.     

基于点球约束的七自由度机器人误差建模与参数辨识

自动化装配对于机器人绝对定位精度提出了更高的要求,由于各种误差因素的影响,机器人理论位姿和实际位姿总是存在着一定的误差,若绝对定位精度过低,容易导致装配过程中零部件之间发生碰撞,严重影响着装配机器人的应用与推广。标定技术是提高定位精度的主要手段,误差建模、数据测量、参数辨识是标定与误差补偿过程中的重要环节。为此,提出了一种基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法：1)通过在机器人末端安装的六维力传感器反馈末端受力情况控制机器人以多种姿态使标定锥与靶标球球面重合,记录接触时各关节的位置数据;2)以靶标球球体半径为适应度函数,利用遗传算法辨识误差参数,从而建立完整的误差补偿模型。以自主研制的七自由度装配机器人为研究对象,针对装配机器人的结构特点,由正向递推建立机器人的正运动学方程,应用固定关节法与反变换法获得机器人逆运动学方程;基于D-H模型,建立机器人的运动学误差模型,在理论研究中,预设定误差参数与位姿变换矩阵,通过牛顿迭代法获取了关节变量值,将关节变量值代入正运动学方程进行验证,利用遗传算法进辨识误差参数,将辨识结果代入运动学模型中进行验证,机器人定位精度得到明显提高。通过实验,采用点球式标定方法采集机器人关节数据,应用遗传算法辨识误差参数,将所求得的误差参数代入误差模型中进行实验,绝对定位精度提升了76.74%,验证了基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法的有效性,为多自由度机器人标定研究提供有益参考。     

可重构模块化机器人分布式控制算法研究

可重构机器人是基于一套事先设计好的模块，并根据特定任务的要求选择的一组模块装配成的机器人。为了实现快速重构，可重构模块化机器人不仅要实现机械结构构形的快速重构而且要实现控制系统的快速重构。根据多Agent理论中协商合作机制和机器人结构的分布性，可重构模块化机器人采用基于多Agent的分布式体系结构。利用微分运动理论提出了一种分布式控制算法，它能够适应三维空间的控制要求，从理论上证明了这种算法的收敛性。     

冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。     

围棋机器人落子指引装置的设计与实现

为提升围棋对弈与教学过程中的交互性,设计了一种用于围棋机器人的落子指引装置,包括视觉处理模块与运动控制模块。针对视觉处理模块,提出一种基于多尺度检测的标准棋盘图像提取方法,提高了棋盘图像提取的稳定性。对棋盘中的反光区域采用单独的棋子检测器进行检测,提高了不均匀光照区域棋子的检测效果。针对运动控制模块,利用高精度数字舵机和激光指引器构建运动执行机构,并采用伸缩关节模拟激光光路实现运动学建模。提出一种基于透视变换的误差补偿方法,实现关节变量的映射,并通过仿真计算完成运动末端位置补偿。最后,通过实验对视觉模块的准确性与运动控制模块误差补偿方法的有效性进行了验证。