封面图片说明

正封面图片来自本期论文"面向数字舞台表演的海龟机器人系统研制",是哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程与自动化学院研制的海龟机器人系统以及在机器人戏剧《来到深圳的豆芽菜》中的公演现场,海龟机器人在剧中扮演主人公"豆芽菜"(真人演员)姥姥的角色.海龟机器人的设计采用了仿生技术,由4条3DOF模块化轻型腿、一套具有连续曲率的柔性脖子、龟壳开合装置和碳纤维框架组成.所     

半自主仿人型机器人足球控制系统设计

足球机器人系统是一种高科技竞技系统.仿人型机器人足球比赛是机器人足球比赛的最高赛事.本文提出了一种新的基于半自主控制的仿人机器人足球控制系统.该系统由仿人型机器人、全局视觉系统、决策系统和无线通信系统四部分组成.实验和比赛结果证明了该系统的可行性.     

电动6-SPU型并联机器人的整体动力学模型

为了对电动并联机器人进行特性分析和性能预测,以永磁同步电机(PMSM)驱动6-SPU型并联机器人为例,提出一种精确整体动力学建模思想.电动并联机器人电机系统除存在随支腿的转动,转子及丝杆还存在绕自身轴线的旋转.针对这两部分运动很难单纯通过多刚体动力学或PMSM动力学来分析的问题,采用多刚体动力学来考虑第一种运动,PMSM动力学来考虑第二种运动,并建立电动并联机器人的精确整体动力学模型.该模型避免了负载折算到电机端时变等效惯量的计算,并将电机系统反电动势、粘性摩擦力考虑在内.以1Hz正弦位姿指令对并联机器人进行仿真分析,验证了模型的正确性.     

基于PIC单片机控制格斗机器人的研究

研究了基于PIC单片机为控制核心的格斗机器人.该机器人由动力系统、机械系统和控制系统组成,其控制系统主要由PIC单片机、电机驱动电路和传感器模块三部分组成.在机器人控制系统的软件设计中,采用了自救、搜索和攻击算法.利用灰度传感器和接近传感器将信号经模数转化为14位数字量.在精度问题上,通过软件实现只取其中的高8位,并在实际对抗中,取得较好的效果.     

基于视觉反馈的全自动微小型轮式机器人

为实现精密定位与全方位运动,采用两个微型电机对角驱动原理,设计了一种新的全方位微小型轮式移动机器人.利用蓝牙技术在短距离内进行无线数据传输的优点,来实现机器人无缆化、自动化,以及对机器人的运动控制与位置控制.通过实验测试,机器人达到了0.05 mm的运动分辨率.最后采用CCD相机作为测量元件,并利用所建立的实验系统,引导机器人完成了对目标的自动跟踪实验研究.     

基于Recurdyn的蛇形机器人的蜿蜒运动仿真

提出一种由九个关节组成的蛇形机器人,研究了该蛇形机器人的蜿蜒运动机理,在多体系统动力学仿真软件Recurdyn中建立了蛇形机器人的运动模型,并对蜿蜒运动时各关节角函数进行了设置.通过在Recurdyn软件的仿真环境中添加各种驱动,设定运动函数,对关节角函数对蛇形机器人前进速度的影响进行了仿真验证.结果表明,提出的蛇形机器人能够完成预定的蜿蜒运动.     

一种全向滚动球形机器人的运动分析与轨迹规划

设计了一种全向滚动球形机器人的内驱动机构,4台直线电机分别在4个空间对称的轮辐上径向移动,改变系统重心位置,驱动球形机器人在平面上全向滚动.基于球体纯滚动的非完整约束和步进直线电机运动的离散特性,建立了球形机器人的运动模型,给出了控制其运动的二阶微分方程组,进而提出了该球形机器人的轨迹规划算法.结合实例进行了运动分析和轨迹规划仿真,表明这种运动分析模型是正确的,并且简化了球形机器人的驱动装置,降低了能耗.     

管道焊接机器人交互控制系统的设计与实现

针对管道焊接机器人设计了一个双处理器的参数调节、实时控制功能的交互式控制系统.其中包括以PIC为控制核心,由中文液晶显示模块、覆膜键盘和专家系统等组成的遥控盒系统;以DSP为核心,控制焊接机器人各电机、电焊机的控制箱系统.给出了系统的硬件构成和软件设计方案,讨论了实现过程中的关键技术.实际试用表明此系统具有焊接精度高、操作便利、人机交互界面友好的特点.     

水下清洗机器人总体方案及实现

从学科发展趋势以及项目难点出发,针对水下清洗机器人的功能、性能需求,将清洗机器人分解为7个分系统,并分别开展各分系统的方案设计及多学科优化设计以形成最佳总体方案。建立了一套爬壁式水下清洗机器人的设计理论与方法,为今后我国水下清洗机器人的研制提供思路和方法。总结出了一套爬壁式水下清理机器人的研制和试验方法,为今后相关技术的研发提供指导。所研制的爬壁式水下清理机器人可用于船舶除垢、除锈、船体检测、焊接喷涂等,能够促进水下机器人技术的进步,提高船舶维护、清理产业的技术水平。     

考虑脚掌转动的跳跃机器人动力学与轨迹规划

针对目前腿式跳跃机器人模型的局限性,考虑脚掌在跳跃过程中的作用,设计了一种由电机驱动的欠驱动双关节弹跳机器人.在起跳相和落地相,脚掌与地面的关系建模成弹簧-阻尼系统,由于脚掌的转动,在足尖处存在一个被动的自由度,系统产生了欠驱动.采用广义坐标,建立了机器人拉格朗日动力学模型,确定了跳跃运动的约束条件.基于跳跃机器人等价...     

基于KUKA工业机器人的柔性加工系统研发

根据工业机器人作业范围大、柔性好、自由度高等优点,以KUKA工业机器人为平台,研究开发了由工业机器人、加工主轴系统、PC机组成的机器人柔性加工系统。针对机器人KR C4控制系统接口特点,开发了基于PROFIBUS/DP通讯的加工主轴控制系统;设计转接法兰,实现加工主轴与机器人机械本体系统的集成。在PC机上进行数控加工轨迹规划,开发了将标准APT数控代码转换为KRL机器人语言的加工离线编程软件。在机器人手持编程器编程环境下运行离线编程文件,实现了加工参数的可编程化和自动化。通过试样的刻字加工实验,验证了该机器人柔性加工系统的合理性和可行性。     

双足机器人鲁棒轨迹跟踪控制

根据机器人的动态特性和鲁棒控制理论,利用拉格朗日法建立了Robonova-1机器人的动力学模型。针对机器人系统的跟踪轨迹控制问题,考虑该系统实际存在的不确定性,基于机器人系统中存在的不确定性的上界设计了一个鲁棒控制器。仿真实验结果证明,该鲁棒控制方法对模型的不确定性或外部干扰对机器人系统产生的影响具有一定的抑制作用,对双足机器人的控制是有效的。     

基于力/速度控制方法的掰手机器人设计

采用力/速度控制方法,完成了掰手机器人在与人实际掰手腕过程中的拟人化控制任务.根据物体接触后能产生力的特性,分析确立外力和由这些外力所引起的变位量之间的关系,利用质量-弹簧-粘性系统参考模型建立了力与速度的动态关系表达式,在整个过程中,根据所测得的力信息及速度信息实时调整伺服电机的旋转方向及旋转速度,系统有较强的自适应性.并且,测试者可通过选择适合于自身情况的测试等级,使比赛更富有意义.测试结果显示了方法的有效性.     

具有单目嵌入式视觉的仿人机器人分层控制系统设计

针对仿人机器人的特点,设计了一个具有单目视觉的仿人机器人分层控制系统.通过研究机器人跑步运动的基本原理,在机器人跑步运动中引入手臂摆动姿态,通过最优化跑步过程的总体能效进行步态规划.最后根据FIRA比赛规则,决策系统通过视觉反馈和姿态反馈信息,调用底层动作库,进行短跑运动规划.实验结果表明,该仿人机器人的控制方式效果良好,适合参加竞技类比赛.     

HT—1关节型四足机器人的计算机分层系统结构

提出HT-1关节型四足机器人的计算机分层系统结构方案。第一层是开发层,用来开发四足机器人步态控制软件以及步态仿真系统;第二层是执行层,用来对四足机器人各关节进行并行控制,使机器人仅在执行层控制下行走。这对四足机器人专用计算机减轻重量,小型化具有重要意义。     

面向任务的机器人灵巧手控制系统及多指空间协调阻抗控制

为提高多指灵巧手的控制和操作性能,提出了基于集中控制-分层处理的DLR/HIT Ⅱ机器人灵巧手实时控制系统结构,并建立了基于Simulink/QNX的实时控制平台和嵌入式驱动控制层,极大地简化了高集成度机电一体化灵巧手的控制器设计过程,并实现灵巧手在多自由度仿机器人上的无缝连接,进行了多指灵巧手空间协调阻抗控制的研究,基于手指指尖位置建立了适用于任意手指数目n的机器人灵巧手物体空间坐标系,并基于六维空间虚拟弹簧的阻抗思想和关节力矩反馈实现了以被抓取物体位置和姿态为控制目标的多指灵巧手空间协调阻抗控制.在基于Simulink/QNX的实时控制平台上对DLR/HIT Ⅱ灵巧手进行了空间协调阻抗控制实验,实验结果表明了灵巧手控制软硬件系统和控制策略的有效性和稳定性.在未降低灵巧手自由度的前提下,将DLR/HIT Ⅱ多指灵巧手协调抓取操作的控制输入量由30个减为6个,为提高抓取规划算法效率提供了稳定高效的新型控制策略.     

超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的研究

为了超声引导肝肿瘤微波消融治疗更精确、更稳定和程序化,减少人为和经验因素的影响,减轻医生劳动强度,保证整个治疗的精确实施,通过分析临床需求,开发了一种床跨式悬臂机器人系统,主要包括手术导航系统和主被动关节相结合的穿刺机器人子系统。机器人可在导航软件的驱动下完成消融针的导航,协助医生完成手术。这种机器人结构简化了控制算法,提高了控制精度。为了进一步减小误差,重新定义了对系统精度影响最大的磁定位装置高精度工作区域。在此区域下,利用多模态穿刺体模进行了系统精度实验。结果表明机器人系统整体位置精度为±1.73 mm,姿态精度为±0.66°,满足临床对定位精度和姿态精度的要求。     

多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

针对复杂的室外地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种可重构的具有多种运动模式的轮-履复合机器人.该机器人由控制单元、两个相同的可重构车轮、翻转机构和车体组成,具有轮式、履带式、翻转式3种运动模式.轮式工作形态,机器人为两轮机器人,运行速度快,可全方位运动;履带工作状态,机器人可以适应砾石地、沙地、草地等多种复杂地形,具备较强的越障能力;翻转工作状态,履带轮整体翻转,可跨越栏杆等垂直障碍.机器人轮-履转换由车轮内部的并联四连杆机构实现,可根据地面特征选择运行模式,根据障碍类型选择越障方式.在建立运动学和力学模型的基础上,结合数字仿真方法对结构进行了参数化研究,此设计方法优化了转换机构的运动轨迹,降低了对驱动电动机的性能要求,提高了电动机的使用效率.试验表明,机器人可通过调整自身机构以合理的运动模式通过沙地、草地等路面环境,攀越阶梯和栏杆等复杂障碍,具有良好的环境适应性和越障性能,验证了该移动平台系统设计的合理性.     

微创外科手术机器人技术研究进展

为实现外科手术的微创化、精确化、智能化、远程化,将机器人技术与微创外科手术相结合,在综述国内外微创外科手术机器人研究现状的基础上,重点论述和分析从操作手设计、控制结构与控制方法,对力反馈主手、手术器械及力感知、增强现实、半自主手术、手术训练系统等关键技术进行了介绍和分析.基于上述技术研发的微创外科手术机器人改善了医生进行微创手术的环境和工具,提高了外科手术的质量,具有广泛的应用和发展前景.对微创外科手术机器人技术的发展趋势进行了展望.     

机器人打磨自适应变阻抗主动柔顺恒力控制

为解决工业机器人打磨过程中存在复杂时变非线性耦合与不确定性扰动导致机器人柔顺恒力打磨自适应调节能力不足的问题，首先给出了一种可实现沿轴向平移与旋转运动解耦的力控末端执行器，其次设计了一种自抗扰控制器和一种粒子群神经网络变阻抗控制器分别作为内环控制和外环控制，在此基础上，提出了一种机器人自适应变阻抗主动柔顺恒力控制方法，用于在线自适应优化阻抗参数，动态调节打磨力修正量，实现机器人打磨作业自适应主动柔顺恒力控制。最后采用Lyapunov稳定性理论分析证明了所提出方法的闭环稳定性。通过机器人打磨系统虚拟样机联合仿真实验和机器人平台实物实验，验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，所提方法能够较好实现静态与动态期望打磨力跟踪，减小了打磨力波动、力超调量以及打磨初期打磨工具处的冲击力，提高了打磨力控制系统抗扰动稳定性、恒力跟踪性能和动态响应能力，对复杂多变工况机器人打磨作业具有较强的适应性与鲁棒性。