仿蜘蛛救援机械臂结构设计与研究

针对非结构化环境下的救援任务,结合生物界蜘蛛腿部的运动特性,设计了一种仿蜘蛛式救援机械臂。基于机构学数学基础的拉格朗日方程求解救援机械臂的动力学模型。鉴于救援机器人的实时性、自适应等特性,分析径向基函数神经网络的控制策略,提出基于径向基函数神经网络救援机械臂的控制策略。采用径向基三层前向网络设计救援机器人的控制方案,重点探讨了救援机器人单关节的神经网络控制方法,并对其进行Matlab仿真。结果表明:所设计的控制方法可实现救援机械臂的自适应性和鲁棒性。     

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。     

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。     

焊接机械臂结构设计及关键部件强度分析

以自主研发用于工业中常见的相贯线焊缝焊接的机器人为目标,根据所需机械臂性能及结构要求,确定机械臂 总体设计方案及各个机构形式。运用三维软件SolidWorks实现机械臂整体结构的实体建模。分析机器人在其运动范围 内的极限工况,运用有限元软件ANSYS Workbench完成对其关键部件（基座,大臂,小臂）的有限元静态分析,验证了所 设计机器人结构的可靠性,能够满足任务精度要求,为机械臂的样机制作提供了理论依据。     

基于RBF神经网络的可重构机械臂控制研究

采用RBF神经网络控制算法来解决MIMO不确定非线性系统的自适应输出反馈控制问题,以系列模块化机械臂为研究对象,设计RBF神经网络控制器不断逼近可重构机械臂动力学模型,采用MATLAB软件基于RBF神经网络逼近设计的控制器对RR构型机械臂进行控制仿真.结果表明该控制器能有效地逼近机械臂动力学模型,并能较好地适应机械臂不同构型.     

多功能模块化居家整理机器人的结构设计

为了实现日常居住环境的智能化，课题组设计了一款基于语音识别和移动端APP控制的多功能模块化居家整理机器人。采用树莓派处理信息、下达指令，利用单片机控制的摄像头对物品进行识别，通过超声波和红外线2种测距模块实现机器人整体避障和循迹，由搭载的6轴机械臂及配套机械爪对物品进行抓取与整理。设计了该机器人的机械爪模块、升降转台、清洁模块、万向移动底盘和摩天轮置物台等结构。实物样机运行结果表明：该机器人能够有效抓取不同形状的物品，使用过程自动化程度高，环境适应性强，整理与搬运效率高。     

三自由度机械臂增材制造装置及控制系统设计

针对传统增材制造装置结构单一和打印空间有限的问题,开发了一种三自由度机械臂熔融沉积式增材制造装置。对该装置进行三维建模,其主要包含1个转动关节和2个移动关节,采用θ、ρ和z作为该装置旋转运动、水平运动和垂直运动的参量,基于圆柱坐标系进行运动建模和运动分析。选用倍福控制器C6920作为三自由度机械臂熔融沉积增材制造装置的控制系统,基于TwinCAT软件进行人机交互界面的开发,采用G代码编写各轴的联动程序,将传统的基于笛卡儿直角坐标系的直线插补转化为基于圆柱坐标系下的插补运算。最后,在三自由度机械臂熔融沉积式增材制造样机上进行了零件打印实验。与传统台式熔融沉积式增材制造装置相比,打印零件在尺寸精度和表面质量方面显著提高。     

基于模型预测控制的协作焊接双机械臂轨迹跟踪算法

焊接双机械臂协作焊接时,存在从动机械臂对主机械臂末端位置的轨迹跟踪的精确性问题,课题组提出了基于模型预测控制算法的主/从位置协调控制方法。根据所建立的六自由度双机械臂的运动学模型,建立末端位置与关节角度的变换关系以及机械臂的运动预测模型;通过上述模型,对主机械臂采用位置控制方法,并通过从动机械臂末端的三维激光扫描仪测距传感器所获取的主机械臂位置及方向,对从动机械臂采用基于模型预测控制算法的位置控制;根据机械臂关节角度变换旋转运算序列及末端位置的预测模型,通过动态矩阵控制算法,由当前时刻的位置状态及下一时刻位置输入状态对未来某时域内的位置输出状态进行预测,从而实现期望的位置跟踪。最后,采用仿真实验测试来验证该算法的实用有效性,结果表明：从动机械臂末端在有较小超调的情况下快速达到稳态,实现对期望轨迹的跟踪;与传统PID控制算法相比,模型预测控制算法能够更快速、更稳定地达到对期望轨迹的跟踪效果;该算法对期望轨迹的跟踪误差在有小幅波动的情况下可保持在±0.05 mm之内,在无波动的情况下可迅速趋近于零。基于该算法,从动机械臂可根据主机械臂末端动态位置信息更加有效地实现对期望轨迹的实时跟踪。     

一种双臂打磨机械手设计

针对人工除锈这一问题,结合人体双臂协调特性,基于作业需求及相关参数要求,设计了一种仿人双臂机械手,其主要包括大臂、小臂和手部等主要组成部分,通过电机和气压驱动可实现铁皮打磨的规定动作,如侧摆、升降、旋转等主要动作。求解了机械臂的作业流程,基于D-H算法求解双臂机械手的运动学方程。对机械手的控制系统进行设计,求解西门子PLC的I/O分配表及梯形图,并对其控制系统进行仿真,取得了理想的效果,为双臂机械手的设计提供了参考。     

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。     

体感交互式拟人手臂机器人

针对目前人体动作同步机器人造价高,使用过程繁琐,需要穿戴多种传感器设备等缺点,设计并研制了一种不需 要穿戴传感器的人体手臂动作同步机器人。介绍了机器人的结构和系统组成,给出了Kinect读取和共享数据以及转换 为机械臂可用数据的方法,设计PID结合PWM脉宽调速的控制驱动模块,完成了机械臂控制系统的软件。结果表明该 人体动作同步机器人在未经培训的操作者指挥下,能够从不同初始位置完成人类肢体动作发出的指令,并且精度较高。 这一研究可为无传感器肢体交互智能机器人研制提供参考     

基于视觉捕捉的网球自拾取机器人系统

为了规避网球比赛的风险,提高效率,开发了一套基于视觉捕捉的网球自动拾取机器人系统,由移动机器人平台 搭载机械臂自由移动对散落在网球场地的网球进行侦测并拾取。采用基于ARM的硬件架构搭建移动机器人的控制系 统平台,并通过网络控制接口与机器人平台上的图像采集与识别模块实现通信;将视觉采集捕捉到的网球的位置信息传 送给控制器,控制移动机器人移动定位,机械臂配合实现网球拾取。经模拟网球场运行证明设计方案可行,视觉的引入 节省了大量的人力与时间。开发的网球自拾取机器人系统有很强的实用性,具有一定的推广意义。     

机械臂非线性定位方程计算新方法

针对机械臂定位算法中,数值算法计算量大,仿真过程存在累积误差,几何算法通用性不强等问题,以手术机器 人六自由度机械臂为研究对象,建立了一组多关节机械臂非线性定位方程组,提出了其基于非线性大范围渐近稳定的 求解方法。结果表明该方法既简化运算,又有利于物理实现,为机械臂高速、准确运动提供了基础,实验表明该算法适用 多关节的移动机械臂的非线性定位方程的求解,有较高的求解精度和收敛速度。     

仿生机械灵巧手的手指设计

针对医疗假肢手指难以解决残疾人日常生活问题的情况,结合人体手指运动的机理,设计了一种仿生机械灵巧手。该机械灵巧手由手掌体、设在手掌体上的1根大拇指和4根手指构成;大拇指由两拇指段构成,大拇指单自由度转动连接于手掌体;四指结构形式一致,且由2个手指段构成,二者之间采用单自由度转动连接。基于指数积公式对所设计的灵巧手进行运动学分析,求解相关数学模型;采用UG软件对灵巧手进行仿真分析,结果表明:所设计的灵巧机械手能满足残疾人简单握持及敲打等日常需要,对康复机械设计有一定的参考价值。     

一种超冗余机械手设计与分析

针对抗震救灾中救援机械设备的低灵活性等问题,提出设计一种超冗余7自由度救援型机械手,由腰部装置、上臂机构、小臂机构、手部机构等部件构成,腰部机构由连杆折叠升降机构组成,小臂部分包含伸缩构件,以增加机械手的作业运转的空间范围,末端执行机构采用单杆式液压能转换缸体来实现;进而,基于矢量积法对所设计的超冗余机械手进行雅克比矩阵计算,求解相关数学模型;基于MATLAB仿真软件,求解三维可视化和工作空间云图,并采用UG软件对其进行运动仿真,仿真试验表明:该机械手的设计满足所设计的要求,对救援型机械手具有一定的参考价值。     

服务机器人的双臂运动学仿真研究

目前服务机器人存在结构复杂、价格昂贵等问题，课题组设计了能满足日常服务的四自由度服务机器人的双臂。设计服务机器人双臂的主要结构：采用D H法建立各臂连杆的参考坐标系；求解了运动学的正逆解；利用MATLAB编程求解单臂的工作空间；利用MATLAB建立双臂运动仿真模型。空间轮廓运动仿真结果验证了正逆运动学求解的正确性。该双臂工作空间能满足日常服务需求。     

基于粒子群RBF神经网络的双关节机械臂系统控制

针对RBF神经网络算法用于控制时难以求解网络隐含层参数中心向量c和标准化常数b的问题,提出基于粒子群参数优化的RBF神经网络(PSO-RBF神经网络)控制方法。建立旅客列车自动上水装置双关节机械臂动力学模型,将粒子群算法与RBF神经网络控制机械臂动力学特性结合,在连续空间快速搜索网络隐含层参数最优解,得到PSO-RBF神经网络控制方法;建立针对双关节机械臂的PSO-RBF神经网络控制系统并进行仿真,与基于遗传算法调节隐含层参数的RBF神经网络控制方法进行对比和分析。研究表明,采用PSO-RBF神经网络控制方法可以有效避免机械臂控制失效,能够使肩关节和肘关节响应时间缩短52%和47%,最大稳态误差减小49%和58%,平均稳态误差减小54%和55%。     

钢桶螺纹盖机器人旋紧控制系统

为了解决人工操作或机械半自动化旋紧钢桶螺纹盖所带来的弊端,提出采用工业机械臂对其进行自动旋紧。运 用EtherCAT总线技术,通过CoDeSys开发软件,设计开发了一种机器人旋紧控制系统,使得机器人可以对钢桶螺纹盖进 行自动抓取、定位和旋紧,完成相应的工序。该设计实现了钢桶螺纹盖旋紧的自动化生产,提高了生产效率和加工质量。     

基于2UU UPU并联机构的4足机器人设计

针对串联4足机器人负载能力低及由误差累积导致的控制精度低的问题，课题组采用2UU UPU并联机构作为4足机器人大腿基本构型，并在动平台上添加一长杆作为小腿结构设计了新型4足机器人。首先基于修正的Kutabach Grübler公式计算单腿机构的自由度并进行验证；其次利用几何关系求解该结构的逆解表达式；然后基于结构的约束条件，借助MATLAB软件求得该并联机构的工作空间；接着在SolidWorks中建立4足机器人的三维模型；最后进行4足机器人的步态规划和仿真分析。结果表明：该机构工作空间大，运动平稳，控制方便，适合作为4足机器人腿部结构。该研究在工程上有一定的实用性。     

悬挂组合式自行车停车系统设计

针对现有小区停放空间不足引发的自行车停车难问题，课题组设计了一种封闭式自行车库，利用汽车停车位上方的闲置空间，实现自行车自动化存取、防盗。车库的机械部分主要由自行车存取系统和自行车悬挂系统组成。自行车存取系统由水平和竖直方向的联动丝杆螺母机构组成，形成2轴联动；自行车悬挂系统由链轮链条带动挂钩滑块运动，挂钩滑块通过滚子在环型导轨上循环运动。车库的控制部分采用指纹识别方式启动PLC控制系统实现自行车停、取智能化。模拟实验表明设计的停车系统实现了车辆存取自动化，且有效节省了空间。课题组的研究为小区自行车停车难题提供一种有效的解决方法。