铣削加工用混联机器人参数曲线插补方法

传统加工装备难以满足高速、高精度、高柔性加工需求,研发高性能加工装备势在必行。以实现航空制造领域高速高精度加工为研究目的,提出一种基于混联机器人平台的加工方法。介绍一种新型五轴混联加工机器人(TriMule),并建立其运动学逆解模型。为提高加工精度,阐述了参数曲线插补原理及其在混联机器人加工装备上的应用。最后结合螺旋铣孔加工工艺,在混联机器人加工平台上进行钛合金铣孔试验。仿真和试验结果表明,采用参数曲线插补方法,能有效限制进给率波动,改善混联机器人加工精度。总结全文,指出混联机器人具备高刚度、高速度、高精度及高柔性等特点,在航空制造领域具有广阔的应用前景。     

风洞试验绳牵引冗余并联机器人的刚度增强与运动控制

 以一种应用于低速风洞试验的6自由度绳牵引冗余并联机器人为研究对象,解决飞行器模型在风荷作用下动态定位误差大、力学测量精度不高的问题。运用微分变换推导了该机器人的刚度解析表达式;分别建立了末端执行器和驱动系统的动力学模型;针对系统冗余驱动、强耦合和非线性的特点,设计了基于刚度增强准则的关节空间比例微分（PD）修正前馈控制器,实现了以提高飞行器升力方向、顺风向和俯仰转动方向刚度为目标的绳系张力优化分配。数值仿真算例表明,与基于张力极小准则的控制器相比,前者有效地提高了飞行器的动态定位精度。     

提高机器人结构刚度及关节精度的方法

传统工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优势,已由早期的物料搬运、点焊、喷涂等操作逐渐应用于制孔、铣削、磨削等高精度金属切削加工领域。然而,工业机器人相比于机床刚性较弱,金属切削过程中的切削载荷使机器人末端刀具偏离期望的加工轨迹,外部激振力极易引发机器人颤振,影响机器人加工精度;此外,关节减速器内部齿隙也会严重影响机器人精度。对采用机器人刚度优化、机器人加工误差补偿、机器人传动间隙补偿、机器人加工振动抑制等提高机器人精度方法的研究现状做了总结,提出了两种提高机器人精度的机器人结构改进设计,分别为基于双电机驱动的无间隙传动机器人结构和基于四边形机构的高刚性机械臂结构,并对新型机器人的结构特点进行了阐述。     

搅拌摩擦焊接机器人形变及载荷控制方法研究

基于搅拌摩擦焊接中搅拌头受力数学模型,利用Ansys Workbench建立了搅拌头的静力学模型。分析了焊接过程中前进阻力、侧向力、轴向力和扭矩对搅拌头应变影响,仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区域。合适的焊接方法与工艺对提高机器人搅拌摩擦焊接稳定性有很大帮助,对搅拌摩擦焊点焊、优化搅拌头设计和焊接工艺参数、热源和超声辅助、反馈测量补偿搅拌摩擦焊、改进机器人结构刚度和精度等载荷控制方法进行了详细阐述。结合工业机器人整体刚性较弱、加工作业时易引发颤振、关节减速器内部齿隙较大,提出了基于双电机传动的无间隙传动高刚性机械臂结构设计,并对机械臂刚度特性进行分析。     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

一个超冗余度移动操作臂机器人系统的实现与运动控制

冗余度或超冗余度移动操作臂机器人可在空间站上为宇航员提供很大的帮助.对一个超冗余度移动操作臂机器人系统的设计和实现作了介绍,这个系统由一个8自由度的模块机器人和一个1自由度的电机驱动的导轨组成;对该系统的逆运动学解法进行了讨论,提出了一种基于避关节极限与位形优化的简化逆运动学控制方法;并提供了仿真和实验结果.     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力实验研究

针对机器人钻削(RCD)CFRP/铝合金叠层材料中钻削力过大引起柔性机器人姿态变形、影响制孔精度与质量的问题,提出了一种机器人旋转超声钻削方法(RRUD),实现钻削力的减小。实验结果显示:加入旋转超声后机器人钻削力显著减小,麻花钻与机器人旋转超声加工系统的匹配性优于三尖钻。采用小进给、高转速的工艺参数可以进一步减小机器人钻削力。为机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力优化提供了参考与依据。     

面向大型卫星的可移动混联机器人加工技术

大型卫星结构件加工过程中面临多次吊装和转移风险,针对“卫星不动,工具移动”制造方法定位误差大的问题,提出一种可移动混联机器人加工大尺寸结构件的新方法。基于全向移动平台与机器人视觉引导相结合的粗-精定位策略,采用初步定位和精确定位的“两步定位法”提高移动式混联机器人加工的定位精度。构建可移动混联机器人加工系统,并在大型卫星结构件上开展铣削验证实验。实验结果表明：移动式混联机器人提高了卫星舱体功能面的加工精度,1 600 mm×800 mm范围内4个压紧点的加工平面度达到0.08 mm,共面度达到0.2 mm,距离公差为0.6 mm。混联机器人的高刚度特性为实现卫星舱体高精、高效的原位加工提供了可行性。     

崎岖地形中关节式月球车姿态估计数值求解方法

 以被动关节式地形自适应月球车为研究对象,融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型,用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法,建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性,其求解模型精度能够满足仿真要求。     

基于云蚁群算法的高效节能氩弧焊工艺参数优化研究

为在氩弧焊加工过程中提升效率的同时降低能耗,研究了一种氩弧焊高效节能工艺参数的多目标优化模型及算法。首先确定了以焊接速度及焊接电流为优化变量,在综合考虑焊接设备、工件特性、操作方法及焊接质量等约束的前提下,建立了以最小电能消耗以及最短加工时长为优化目标的多目标工艺参数优化模型;提出一种基于云模型的蚁群算法(CBACO)以对所构建的优化模型进行求解,其中包含一种适当的编码方式、一种局部与全局相结合的探索策略、一种基于云模型的变异因子、传统的单点交叉因子、单形交叉因子以及适当的选择策略;通过一个针对某航空器油箱的焊接实例,对所提出的优化模型及算法的实用性进行了验证,结果表明优化参数可在保证加工质量的前提下有效地节省时间60.41%~69.05%,节省电能34.88%~46.30%。     

基于后退设计的空间机器人系统的自适应控制

 结合后退设计方法和自适应控制理论，对载体姿态可控的空间机器人系统提出了一种自适应跟踪控制算法。当系统的惯性参数未知时，该算法可以保证空间机器人的手端跟踪误差渐近趋于零。和已有的算法相比，所提出的算法可以消除Lyapunov函数导数表达式中的交叉项，明显改善系统的跟踪性能。对平面两关节空间机器人的仿真结果证实了算法的有效性。     

基于自适应的变形式陆空机器人转域过程飞行控制

针对一种变形式四旋翼陆空两栖机器人，研究空陆转域飞行控制方法，为实现陆空机器人从空中到地面的连续机动奠定了基础。建立了等效于变形式四旋翼陆空两栖机器人的飞行及转域系统结构模型和动力学模型，针对转域变形过程中转动惯量的改变及复杂飞行环境中负载变化和机体质量受损问题，在设计了基于线性二次型调节器（LQR）算法的姿态控制器和基于比例-积分-微分（PID）算法的高度控制器基础上，设计加入模型参考自适应系统（MRACS）解决模型参数不确定性问题。利用Adams/MATLAB联合仿真，首先得到空陆转域变形角度的极限值，然后对比仿真有无自适应补偿器的控制效果验证了该控制方法的高效性。研制了转域飞行样机，对空陆转域变形角度极限值和飞行控制方法进行了试验验证。     

基于遗传算法的机器人负载重力补偿优化算法研究

航空航天装配领域,利用安装在机器人末端的六维力传感器来感知外力是实现工业机器人柔顺装配的关键技术之一,而负载的存在会干扰对外力的感知。针对工业机器人末端负载的重力补偿,提出一种基于遗传算法的重力补偿优化算法。此方法以误差平方和最小为目标建立了最优解模型,利用遗传算法求解,最终可以在不使用测量仪器的情况下,估计力传感器安装偏角,提高重力补偿精度。同时设计了特定的机器人测量姿态来减少系统误差。试验表明,优化算法可以补偿任意角度的力传感器安装偏角,与补偿前相比,各方向最大重力补偿误差及平均重力补偿误差都有所减小。     

考虑关节回差的工业机器人精度补偿方法

工业机器人由于绝对定位精度低的缺点一直难以应用于航空航天高精制造领域。影响机器人定位误差的因素较多,对精确建立其误差模型提出了严峻的挑战。现有的建模方法通常将机器人定位误差与其位姿关联,忽略了同一位姿下关节回差对其定位误差的影响。为提高工业机器人绝对定位精度,提出了一种考虑关节回差的工业机器人误差相似度精度补偿方法。基于改进的Denavit-Hartenberg模型建立了包含机器人几何误差、坐标系误差和传动误差的综合辨识模型,利用最小二乘法辨识了关节回差。根据辨识得到的关节回差等参数构建了误差相似度模型,使用3种型号的机器人验证了该方法对提高机器人绝对定位精度的可行性和通用性,最终通过KUKA KR500-3机器人进行了制孔试验验证。试验结果表明,该方法相较于传统方法将机器人定位误差降低了约0.1 mm,精度提高了30%以上,制孔孔位精度从0.701 mm提升至0.134 mm,为有效提高工业机器人的绝对定位精度提供了一种技术手段。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

弯扭复合大负载下电动舵机设计及性能试验研究

针对弯扭复合大负载工况下电动舵机快速性与稳定性匹配的问题,在分析有限空间质量约束下舵机设计要求的基础上,采用基于核心部件与系统仿真及试验验证相结合的手段,提出了一种高刚度高功率密度的抗弯扭复合大负载电动舵机设计方法。详细阐述了高功率密度伺服电机和高刚度传动机构的设计过程,并研制了工程样机。试验结果表明:该电动舵机伺服刚度与功率密度得到显著提升,在复合大负载工况下能够实现高动态高可靠稳定运行。     

柔性冗余度机器人改善频率特性的研究

对改善柔性冗余度机器人的频率特性进行了研究。首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人固有频率的结论。然后分析了机器人的自运动与关节运动参数之间的关系。在此基础上,提出了在保证末端名义运动不变的情况下通过规划柔性冗余度机器人的自运动调整关节运动参数来提高系统的固有频率,以避开动力奇异并改善机器人动态性能的方法,此外给出了相应的优化算法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于几何特征关联的室内扫描匹配SLAM方法

为实现室内结构化环境中仅依靠激光雷达数据进行实时自定位并创建精确的特征地图,提出了一种基于几何特征关联的室内扫描匹配SLAM方法.几何特征关联与匹配方法的优劣很大程度上影响SLAM的实时性和精度.结合室内结构化环境的特点,提出了一种完备端点定义与提取方法,将直线段特征与完备端点进行关联,优化几何特征扫描匹配过程.此外,姿态角收敛是SLAM进行机器人位姿估计和求解一致性的关键.为确保姿态角准确收敛,采用了基于直线拟合认知的姿态角加权几何平均求解方法.实验证明,提出的SLAM方法得到的定位精度在100mm内,建图精度也较高,能胜任室内SLAM.