为了对机械臂运动轨迹的能耗、时间和冲击进行综合优化,提出了基于累积非支配赋值NSGA-Ⅱ算法的多目标优化方法。对七自由度冗余机械臂的实物及模型进行了介绍,以机械臂到达各给定轨迹点的时间为优化参数,以减少机械臂轨迹的能耗、时耗和冲击为目标建立了多目标优化模型。对传统NSGA-Ⅱ算法进行了缺陷分析,引入了累积非支配赋值的选择方法和自适应模拟交叉二进制算子,从而提高染色体的多样性和特殊性。给定6个轨迹点进行仿真验证,结果表明累积非支配赋值NSGA-Ⅱ算法得到的Pareto解集优于传统NSGA-Ⅱ算法的Pareto解集,以时间最少为例给定了规划的关节空间轨迹,该轨迹满足设定的角度约束、角速度约束、角加速度约束,可以应用于实际工作。

为了实现机械手在约束范围内以最快的速度运动，将遗传算法应用于机械手时间最优轨迹规划的研究。在遗传算法进化过程的基础上，提出了一种基于种群集散状态的改进自适应遗传算子，同时采用了优胜劣汰的选择方式，进化后期交换交叉和变异的顺序，有效地解决了简单遗传算法的两大缺陷。对PUMA560的前三铰进行了仿真试验，并与混沌优化法进行了对比分析。实验结果表明，所提出的算法可以有效地防止早熟，收敛速度更快，鲁棒性更好且拥有较强的寻优能力。

针对转板式气动数字流量阀的间隙泄漏这一问题,利用Navier-Stokes方程建立了径向间隙和轴向间隙泄漏的数学模型.对转板式气动数字流量阀的结构参数等影响因素进行了仿真,分析了间隙泄漏对数字阀静态输出特性的影响.结果表明,增加转板的厚度,减小小孔的半径可以减小泄漏量,但是减小小孔的半径,却降低了输出量.根据仿真结果,提出了改进措施,为阀体的优化设计提供理论参考价值.

为了实现机器人的内在主动柔顺,应用磁流变液的可控特性,设计了基于磁流变液传动的多盘式柔顺关节。基于Bingham塑性模型建立了柔顺关节的扭矩传递模型,仿真分析了盘片直径、盘片间隙、励磁电流等因素对输出扭矩的影响规律,根据理论分析和仿真,得到柔顺关节的机械结构参数。设计实验平台对柔顺关节样机进行了盘片壁面形貌对动力传递性能影响、空转力矩特性、动力传动特性、静态特性、转速-输出转矩特性以及阶跃输入、阶跃负载情况下的动态响应实验研究。结果表明基于磁流变液传动的柔顺关节盘片表面粗糙度越大,所能传递的扭矩越大,磁流变传动输出稳定,且可以无级调控。

气动人工肌肉是一种新型的柔顺性驱动器,但由于采用硅胶等非线性材料而存在明显的迟滞现象,并且其滞环参数随着负载的不同而变化。本文基于广义Prandtl-Ishlinskii迟滞模型,引入气动肌肉的负载参数,建立了计及动态负载的迟滞模型Load-dependent generalized Prandtl-Ishlinskii(LGPI)。在0~100N的负载范围内进行实验,验证了该模型能较好地描述气动肌肉在动态负载作用下的不对称迟滞特性,其滞环回路位置误差最大不超过1mm。将LGPI模型的逆作为PID控制的前馈环节,以控制气动肌肉驱动的机械单指灵巧手手指,在不同负载下进行角度跟踪实验。与无前馈的PID控制实验结果对比分析表明,增加基于LGPI模型的前馈环节能提高控制系统的响应速度和控制精度。

针对传统刚性机器人关节在安全性和适应性方面明显不足等问题,基于磁流变技术提出了一种新型机器人柔顺关节原理,在传统的机器人关节刚性结构内部嵌入了磁流变传动机构,使其成为一种兼具刚性和柔性的关节结构。利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell建立了磁流变液柔顺关节的仿真模型,进行了参数化设计。建立了柔顺关节可变刚度模型以及传递转角的运动学模型,并利用Matlab对理论模型进行了验证。仿真结果表明,关节输出转矩随着线圈电流的增大而近似线性增大;在相同时间内,当输入电流越大,转动角度越大,而且当工作时间增加后,转动角度的增幅增大。

随着机器人应用向智能工厂、助老助残服务、医疗、教育娱乐等领域不断扩展,机器人的柔顺性和主动适应性设计需求越来越受到研究人员的关注。本文综述了机器人柔顺关节的机构原理,包含了弹性元件被动柔顺关节、气动主动柔顺关节、磁场力柔顺关节和智能材料柔顺关节。进一步分析了当前机器人柔顺关节研究中存在的结构、建模与控制、动力供给等方面的问题。最后指出机器人柔顺关节的研究趋势主要表现在驱动与结构创新、数学建模与控制、多学科交叉与合作研发等方面。

针对人机交互中刚性机器人关节在碰撞中的冲击力会对人产生危害的问题,对磁流变液变刚度传动装置进行了设计、建模和实验分析,提出了一种基于多盘式磁流变液传动的柔性关节。首先建立了传动装置传递的转矩数学模型,利用Matlab对各影响参数进行了仿真分析;然后根据仿真结果设计了磁流变液传动结构,利用磁场有限元仿真软件Ansoft Maxwell对磁路进行了验证;最后,搭建了实验平台,对磁流变液传动装置输出转矩进行了实验测试。研究结果表明:磁流变液传动装置能有效传递扭矩,输出扭矩与输入磁场强度的线性度好、响应快,传动特性能满足对机器人关节的使用要求。

为了使机器人关节具备主动变刚度特性,基于磁流变液的可控流变特性设计了一种新型机器人柔顺关节,并提出基于分数阶PID(PIλDμ)控制算法进行磁流变液柔顺关节的动态扭矩跟踪控制,采用频域设计方法,通过期望截止频率和相位裕量推导出理想Bode传递函数状态下的PIλDμ控制器设计参数,建立了基于PIλDμ的控制系统。设计了磁流变液柔顺关节实验平台,并且基于LabVIEW图形化编程语言开发了控制软件系统,分别进行了基于PIλDμ和整数阶PID动态扭矩跟踪控制实验,实验结果证明,PIλDμ控制算法对基于磁流变液设计的机器人柔顺关节具有较好的动态扭矩跟踪控制作用。

介绍了新型气动数字压力阀的结构及工作原理。该气动数字阀利用步进电机加偏心机构来实现阀芯的水平移动在控制上不需要D/A转换器而采用计算机直接控制。采用步进电机连续跟踪控制方法有效解决了传统的步进式数字阀固有的量化误差和响应速度之间的矛盾。建立了气动数字压力阀及阀控压力系统的数学模型对数字阀的动态特性和实验系统的压力特性进行了模拟仿真和分析。