等离子去板坯毛刺机器人机构设计与研究

针对钢铁行业现有板坯毛刺去除方法(如刮刀式去除法和锤刀式去除法)无法满足去毛刺质效的需要,提出了一种专用机器人等离子去板坯毛刺的新方法,为此正向设计了一种5自由度专用机器人本体,并对其进行研究。首先根据连铸工况及生产线布置确定机器人总体设计方案;然后对该机器人各关节传动方案进行选择,并用SolidWorks对相关结构进行设计,使用相关选型方法对各关节电机及减速器进行计算选型;最后利用ADAMS动力学仿真软件对机器人进行运动轨迹仿真。仿真结果表明:所设计机器人机构以及电机和减速器的选型是合理的,满足设计要求。     

基于ROS的机器人等离子切割板坯毛刺运动规划

针对钢铁行业现有板坯毛刺去除方法(如刮刀式去除法和锤刀式去除法)无法满足去毛刺质效的需要,提出了一种机器人等离子去板坯毛刺的新方法,并在ROS框架下进行了运动轨迹规划的研究。首先构建机器人URDF模型,使用Ubuntu终端命令及RVIZ进行可视化检验;其次配置及启动MoveIt控制平台及其功能插件;最后通过Python运动规划程序执行机器人等离子切割任务,利用MoveIt调用的OMPL开源运动规划算法进行轨迹规划,并使用rqt_plot插件进行轨迹规划分析。结果表明:该研究方法便捷有效,能完整地模拟机器人等离子切割运动轨迹规划的过程,为机器人等离子切割开源平台的开发提供了支持,对工业机器人在ROS下的应用研究具有科学价值。     

我国建成第一个无人工厂实验工程

①清华大学CIMS实验工程车削中心工作站的关节式六座标机器人为车削中心装、卸工件。 ②清华大学CIMS实验工程的物流系统,由物流工作站、自动物料存储和提取系统、物流数据库、条形码物料识别系统等组成,实现了货物装运和进出自动化。左上图是激光条形码物料识别系统,它保证了进出库的货物准确无误。 ③清华大学CIMS实验工程的加工过程仿真系统研究人员在开发用于制造系统与生产计划评定的一体化仿真软件。     

悬挂式协作机器人设计与分析

针对老年人独处晾晒衣物困难的问题,基于人机协作的特点及要求,研究设计一种悬挂式协作机器人,其主要由机械臂和末端手爪等部件组成,机械臂由两关节构成,采用Matlab软件求解协作机器人的运动空间云图;基于指数积公式,求解悬挂协作机器人的运动学方程;依据机器人的工作流程,采用UG软件对其进行运动仿真分析,求解其位移和加速度随时间的变化规律;最后,采用PLC对其进行控制研究,获取机器人的控制信号,为协作机器人的设计研究提供一种理论基础。     

电脑机箱散热性能优化问题的研究

介绍了用ANSYS软件对加装在电脑机箱表面的辅助散热风扇位置进行优化设计的方法。通过实验测试了空机箱情况下表面辅助散热风扇对CPU散热性能的影响,采用ANSYS软件对相同的情况进行了仿真,由两种方法的结果对比情况验证了用该软件仿真散热性能的可行性和准确性。并对实际的完整电脑机箱风冷散热系统的散热性能进行了软件仿真,根据仿真结果给出了风扇位置的优化建议,证实了用软件仿真方法进行电脑机箱散热性能优化设计的实用性。     

四轮式移动机器人非完整运动控制

针对四轮式机器人做非完整运动时系统的非完整性的问题,将四轮式机器人运动规划转化为非线性控制系统的优化问题。提出了对优化变量进行浮点数编码的改进遗传算法,使系统控制精度得到改善。同时将改进的遗传算法采用最优个体保留策略,设计交叉参数和自适应变异参数,确保算法具有良好的收敛性。通过数字仿真实验,证明了该方法的对四轮式机器人非完整运动规划问题具有可操作性。     

面向上纱机器人的末端执行器的结构设计

针对筒子纱的人工上纱效率低、劳动强度高等问题,课题组设计了面向上纱机器人的末端执行器。根据筒子纱的结构特点和上纱工艺要求,采用SolidWorks软件对末端执行器进行建模,设计具有双移动内撑式手爪、自动调节手爪间距装置及气动推纱机构的末端执行器,实现单次2个筒子纱的抓纱和推纱的上纱过程。对抓取机构建立静力学模型,通过SolidWorks软件和ANSYS软件对末端执行器的关键结构零部件进行运动学和静力学的仿真分析。仿真结果表明抓取机构的运动过程稳定,结构可靠,达到了设计要求。     

轮腿可变式移动机器人的结构设计

针对移动机器人在复杂多变环境下执行搜救侦察任务时机动性、越障性存在的不足，课题组提出了一种新型轮腿可变式移动机器人的设计方案。课题组通过对变径机构的设计使得机器人可以实现轮式和轮腿式2种工作模式的自如变换；采用修正的Kutzbach Grubler公式对变径机构自由度进行了分析；利用速度瞬心法对移动机器人以轮式模式工作时进行运动学求解；利用拉格朗日法建立了移动机器人的动力学模型；最后通过ADAMS软件对移动机器人进行仿真实验分析。研究结果表明：该机器人整机结构设计合理，运动平稳，具有较强的机动性与地形适应性。该研究弥补了单一运动模式的机器人在地形适应能力上的不足。     

机器人码垛工作站的输送整列装置设计

为了解决机器人码垛前的输送排列问题,针对2款产品的码垛方式,进行机器人码垛工作站的布局分析,提出了 在码垛机器人之前需要设计输送整列装置。其次,开发了拉距装置、转向装置和整列推送装置,在码垛机器人抓取之前 实现产品箱的输送整列功能。最后,探讨了2款产品输送整列的工艺过程,结果表明输送整列装置在机器人码垛工作站 中具有合理性和实用性。     

卧式外骨骼助行机器人设计

针对老年人因身体机能退化或疾病导致行动不便的问题,以轮椅为依托设计了一种外骨骼助行机器人。介绍了卧式外骨骼助行机器人的结构和系统构成,依据助行机器人的工作流程,阐述且设计了PLC控制的组成部分和作业流程。最后,采用UG三维软件对卧式外骨骼助行机器人进行仿真分析,求解其位移和加速度随时间的变化规律,为助行机器人的设计研究提供一定的基础。     

非结构化环境下四足机器人避障性能研究

针对机器人在非结构化环境中的自适应运动问题,研究设计一种四足爬行机器人,主要由膝关节/髋关节组成,结合机器人数学基础,建立机器人运动学模型。鉴于生物控制中节律运动特点,利用hopf神经元模型对生物中枢模式发生器进行机理建模,设计基于CPG模型的四足机器人网络拓扑结构,分析四足机器人拓扑结构下的步态特点。采用ADAMS软件对该机器人避障的特性进行仿真分析,结果表明:该模型能够便捷地切换方向,完成避障运动,拓展了生物控制在多足机器人运动中的应用。     

基于ADAMS的双足机器人建模仿真方法

针对机器人实验过程中物理实验成本较高而建模仿真不够精确的问题,提出了一种将SolidWorks绘制的虚拟样机和由Matlab/Simulink建立的基于ZMP理论的控制系统导入动力学仿真软件ADAMS进行联合仿真的方法。该方法有效地克服了ADAMS建模尺寸精度小的问题,能够发挥3个软件的优势,提高系统的动态响应能力,实现机器人实体和活动环境的高精度建模。     

新型履带式管道机器人变径机构动力学分析与仿真

为提高履带式管道机器人的驱动效率与管道适应性,基于升降机式与滚珠丝杠螺母副式变径机构,提出了一种滚珠丝杠螺母副三角升降式变径机构。设计了变径机构并阐述了其工作原理。通过对变径机构动力学分析与基于虚功原理的驱动特性分析,确定影响驱动电机输出转矩大小的主要参数。利用多体动力学仿真软件ADAMS建立一组变径机构模型并对其进行了动力学仿真分析。仿真结果表明了电机输出转矩与支撑角间的变化关系,为选取合适的电机转矩与支撑角变化范围提供了理论依据。     

基于ADAMS的食道诊疗胶囊驱动机器人的动力学研究

为实现消化道类疾病检查中胶囊机器人的转动、前进等复合运动的驱动,课题组提出一种驱动食道诊疗胶囊的设计方案,用于控制食道诊疗胶囊在食道内的运动和定位。首先,利用UG软件建立驱动机器人三维数字化模型;其次,利用拉格朗日法建立驱动机器人的动力学模型;将三维模型导入ADAMS软件,根据设计要求添加运动约束;最后,通过ADAMS软件完成动力学建模与仿真分析,获得驱动机器人各关节的运动特征曲线,利用ADAMS仿真分析,验证了所设计的驱动机器人具有较好的动力学特性。建立的动力学方程为后续食道诊疗胶囊的驱动控制和多物理场仿真提供了参考依据。     

一种新型服务机器人的设计与分析

随着老龄化社会的到来和机器人技术的发展，服务机器人成为了机器人领域的研究热点之一。以提高服务的舒适性为切入点，设了一款新型服务机器人并对其机械臂轨迹规划进行了研究。首先，结合轮式与足式的优点，设计了一种新型轮足式的服务机器人底盘，并且采用麦克纳姆轮进一步提高服务机器人的运动性能；其次，以人臂为参考对象，确定了服务机器人机械臂的自由度，并建立了服务机器人整体三维模型；最后，在MATLAB中建立机械臂模型，分析了其直线插补运动与曲线插补运动。仿真实验表明，机械臂运动时各关节的角位移、角速度和角加速度都是光滑、无跳变现象，即所设计的机械臂无论是做直线运动还是曲线运动都能够平稳的工作。     

麦克纳姆履带式爬壁机器人磁吸附单元结构设计与仿真

为了解决履带式磁吸附爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间的矛盾问题,结合Halbach永磁铁阵列的优势与麦克纳姆轮的灵活性,提出麦克纳姆履带式爬壁机器人的概念,并设计了安装于履带链节上且磁吸附力可调的新型磁吸附单元。首先,介绍磁吸附单元的结构和原理;然后,运用Ansoft Maxwell软件对磁吸附单元进行仿真,通过与传统Halbach磁吸附单元对比分析,结果表明,麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元结构在脱离工作表面时最大最小磁吸附力比值大,使得磁吸附单元便于与壁面脱离;最后,运用ADAMS软件进行磁吸附单元动力学仿真,得到该过程磁吸附力变化曲线图和驱动电机输出扭矩变化曲线图。仿真结果验证了采用麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元的履带式爬壁机器人运动更平稳,灵活性更高,电机消耗功率更少。     

晶圆传输机器人末端执行器的结构设计

为了实现晶圆片快速稳定传输,课题组设计了3种不同机械结构的末端执行器。首先,利用三维UG软件建立4凸点接触式有结构孔且有过渡结构的末端执行器、3凸点接触式类三角形末端执行器和4凸点接触式仅有结构孔的末端执行器这3种模型;采用ANSYS软件对所设计的3种模型进行静力学仿真,通过对仿真结果进行分析,得出最优的机械结构;最后采用ANSYS动力学模态仿真,验证了此机械结构具有合理性。研究结果表明有结构孔且有过渡结构的末端执行器能够满足晶圆片高速稳定的传输,为最优的机械结构。     

基于MATLAB的汽车塑料内饰件打磨路径规划仿真

为提高汽车塑料内饰件的打磨效率，注塑厂引入工业机器人打磨工作站来替代人工作业。课题组根据汽车塑料内饰件的特性，将工业机器人的打磨路径分解成若干段直线路径和曲线路径，利用课题组设计的空间直线插补与空间曲线插补相结合的插补算法，通过MATLAB平台及Robotic Toolbox工具箱进行路径插补运算和仿真。结果表明：工作站打磨运动耗时约为79 s，与人工打磨耗时约120 s相比，打磨效率提升约34%。课题组设计的插补算法能够显著地提高打磨作业效率。     

游梁式抽油机工作系统计算机仿真分析

针对游梁式抽油机占据着有杆泵采油地面设备的主导地位，但其能耗高一直制约着石油工业的发展的实际,开展了优化游梁式抽油机结构、对游梁式抽油机进行节能改造的研究，成功实现了对游梁式抽油机工作系统的仿真分析。利用MATLAB软件中的动态仿真工具SIMULINK，对游梁式抽油机的3个系统模块，包括原动机、减速器与抽油机主体分别进行建模，进而建立了曲柄平衡游梁式抽油机系统的计算机仿真模型。通过实例的仿真结果与实测数据的对比分析，验证了仿真模型的正确性和合理性，为抽油机节能改造提供了理论依据及实验研究模型。     

可调足式机器人腿部机构设计

为实现腿部机构足端轨迹多样化以增强足式机器人地面适应性，同时提高其运动稳定性，课题组基于曲柄摇杆和曲柄滑块机构设计了一种可调整足式机器人腿部机构。采用解析法对该机构进行了运动学分析，建立了以理想的足端轨迹为设计要求的单目标优化模型，考虑了腿部机构运动过程中的平稳性，引入了速度波动指标，以轨迹 速度为设计目标，采用NSGA Ⅱ多目标优化方法对机构进行优化，对优化结果进行了对比分析；基于多目标优化结果建立了腿部机构的足端轨迹库，并进行腿部机构多步态分析；以该腿部机构构建4足机器人三维模型，运用ADAMS对整机进行运动仿真。研究结果表明：多目标优化比单目标优化的轨迹误差增大了0.16%，而速度波动降低了5.84%；多目标优化与已有相关研究相比，速度波动幅值降低了25.44 mm/s。4足机器人三维模型仿真结果验证了可调整腿部机构的设计具有可行性。