针对目前在机械仿真软件中许多操作是重复且枯燥的这一问题,研究提出了一种基于图像文字识别,通过模拟外设交互动作,来执行既定的仿真流程的机器人流程化(RPA)的解决方案.主要对该解决方案中的软件架构、各模块流程以及软件界面这些核心内容进行了设计.为了验证该解决方案的有效性,以Solidworks为例,对该RPA系统进行了测试,测试结果表明,对于Solidworks这类机械仿真软件,可以自动化地执行用户既定的任务目标,自动化地完成三维模型的创建.因此,使用了该解决方案后,可以极大地减少业务人员的操作时间和操作失误,从而带来更好的用户体验.

结合贴片机智能化发展需求,针对当下数字孪生研究缺乏对孪生模型逼近程度及实时性的关注的问题,提出了一种将半物理仿真系统作为实现孪生端模型的技术框架的思路.同时考虑成本,提出以Windows系统近似模拟实时系统的方案并对此低成本方案进行实时性测试,结果表明此孪生端模型方案有效.通过WPF框架完成对数字孪生平台上位机软件的开发,实现对实物贴片机、孪生端模型、上位机软件三位一体的通讯连接、数据传输,其中通过嵌入Webview2控件完成对实物贴片机的模型仿真驱动.

针对室内光线条件不良或者特征物不明显造成机器人的视觉定位与导航困难的问题,提出了一种基于自发光标志物的特征识别定位方法,实现了机器人室内位置的追踪.首先通过放置在屋顶的相机来获取机器人的整个工作环境,对机器人的工作环境进行整体定位,再使用SURF算法进行特征提取与匹配,根据图像处理结果确定机器人的具体位置,进行机器人位置的实时跟踪.实验结果表明,该方法在精确度要求不高的情况下能够获取到机器人的位姿信息,证明了整个理论方案的可行性.

针对安保机器人物理结构复杂、控制系统精度要求高、实时数据采集、数字端的传感器信号处理等问题致使安保机器人开发周期长、开发难度大的问题,设计了一个安保机器人数字孪生系统.对安保机器人数字孪生系统的系统管理模块、系统监控模块、功能模块3个子模块进行了详细设计,实现了对安保机器人数字孪生系统的管理、机器人主要部件的参数监控、传感器数据的采集和处理以及同类型机器人的二次快速开发.

针对目前电子行业中许多中小型企业、高校或个人有对电路板进行小批量贴片的需求,以及市场上缺少工业化实用性设备的问题,该文提出了一种小型化低成本的桌面型贴片机.首先为桌面型贴片机设计了一种紧凑型结构,完成了视觉系统的选型;然后提出一种上视相机的专用标定方案;最后提出并完成了基于几何外形特征的芯片校准方案,为后续紧凑型桌面贴片机的工业化和成熟化奠定基础.

针对室内光照多变对机器视觉带来的不良影响所造成的室内机器人定位难的问题,提出了一种基于监督的室内导航模型.将鱼眼相机固定在室内房顶的中心位置,并且进行多次拍照,拍照后的图片经过图像处理,即可以完成获取整个地图,以及可行驶区域的人工标定.以屋顶固定参照物灯管为中心,结合位于机器人上的移动设备在不同位置向房顶参照物拍摄的图像数据和实际坐标位置,组成了投影轮廓数据库.根据在移动过程中机器人上的移动设备对房顶参照物进行拍摄,并与数据库匹配,实现了当前机器人的位置信息的获取.经测试,本方法在中低精度下具有一定的可行性,并且具有速度快的优点.本次研究实现了在精度要求不高情况下室内的监督导航.

针对目前紧凑型贴片机缺少专用的低成本控制器的现状,提出了一种基于多核异构模式的专用控制器.并完成了控制器总体设计和上位机软件的开发.该专用控制器包括三个功能模块和Android控制平台.功能模块分别是运动控制模块、I/O模块和数据采集模块.三个模块间采用增强型总线通讯,实现主从机交互.Android控制平台作为控制器核心,进行数据的调度与处理,并承担视觉系统的中枢.最终经过软件测试和样机测试,实现了设计目标,证明该控制平台具有可行性,可以良好地应用于紧凑型贴片机.

针对室内光照多变对机器视觉带来的不良影响所造成的室内机器人难定位的问题,提出了基于固定自发光特征物的双目定位算法设计,实现了机器人在室内环境中的定位.针对视觉定位算法实时性不高、处理数据量大的问题,通过预先建立数据库的方法避开复杂的计算,提高了视觉定位速度.具体而言,建立了固定特征物投影模型,实现了特征物模型的建立和对应数据库的生成,将特征点像素坐标与投影平面坐标进行匹配,并将相机在环境坐标系中的位姿转换为运动平台在环境坐标系中的位姿,实现了运动平台在室内环境中的定位.最终经过测试,证明该方法是可行的.

为解决无人车控制程序复杂、研发周期长、成本高且道路测试安全风险大等一系列问题,提出了一种面向人类智慧提取的无人车虚拟训练系统.构建了通过虚拟场景训练采集人类操控车辆数据并为进一步提取人类操控车辆技能提供数据基础支撑的虚拟训练系统平台.搭建了考虑复杂交通状况下的都市虚拟训练场景;建立了车辆的动力学模型并将其脚本化;完成了智能化驱动算法.测试结果表明,系统实现了人类操控车辆数据的提取,证明了所提方案的可行性.

如今,人口老龄化问题使得人们对帮助老年人或残疾人的日常生活有着迫切需求,针对此现象,提出基于推拉软轴传动的外骨骼助力机器人设计方案,从外骨骼机械系统的设计、Adams仿真软件对其正向运动轨迹相关参数的分析以及基于服务的通用计算平台三个方面进行研究.整体采用推拉软轴传动的思路,完成了对上肢外骨骼机械臂单臂正向运动轨迹的仿真,在外骨骼系统计算平台设计方面完成了基于服务的上肢外骨骼系统分析平台的制作.研究结果证明了该平台的可行性以及机器人在行走助力上的有效性,同时对外骨骼的低成本研究具有一定的借鉴意义.

针对大多数服务机器人采用的单核模式所存在的开发周期长、研发成本昂贵等问题,设计了一种面向服务机器人的基于多核异构模式的通用可编程控制器系统平台.该控制系统平台由多核异构微控制器、移动终端监控系统和机器人图形化编程系统(RGIDE)组成,多核异构微控制器将控制系统功能多核化,以增强实时性、可靠性,降低运算负荷;其中作为主控的移动终端,自带客户端监控系统,便于现场维护与远程监控.自行开发了基于EngineerC语言的图形化编程系统,使该平台具备了快速二次开发能力.本可编程控制系统可用于多传感器数据的采集和处理、运动系统的驱动、大量多媒体交互显示和现场监控等多种场合.

针对无人车系统控制中复杂程度高,精确描述困难,算法测试成本投入大的问题,为了快速建立这类多目标多因素的控制系统模型并进行快速测试,提出了面向人类驾驶智慧提取的方法.搭建了通过虚拟场景训练来采集人类操控数据并为进一步提炼及测试人类驾驶控制模式提供基础支撑的半物理仿真训练系统平台.其中设计了以电动机为驱动目标,具备测距传感能力的实时控制器原型,建立了考虑复杂交通环境下的虚拟训练场景,完成了虚拟场景、人类操纵及控制器之间的实时通讯.最后通过原型系统的测试,实现了人类操纵数据的提取,为进一步提炼人类驾驶模式建立了数据基础,也证明了该平台在所提方法的应用上是可行的.

为解决机器视觉在零件的自动装配领域三维重构精度不高且计算量大的问题,提出了一种基于正交视觉装配机器人系统.运用了两个工业相机构成正交视觉,将动态视觉问题转化为静态问题,将立体视觉转化为平面视觉;采用三个平移滑台和三个转动自由度的机械臂构成装配机器人的主体,达到了降低装配机器人的控制难度和提高装配机器人的空间到达能力的目的;建立了正交双目视觉模型,演算了零件在两个正交下获取其空间位置和姿态的基本原理;最后通过对执行件末端定位精度的柔性仿真,验证了装配机器人的机械系统的可行性.

针对近年来老年人数量急剧增加而带来的对助老助残工具的迫切需求,从仿生的角度设计了一款外骨骼助力机器人。在确定使用推拉式软轴驱动运动关节后,首先完成了外骨骼机器人肩肘部关节等结构和机构的设计;随后对踝关节等柔性驱动进行设计,并对各个关节的活动范围进行了分析。最后在动力学仿真软件中对外骨骼机器人腿关节运动、足端运动进行了动力学分析和行走步态的运动学分析,证明了该机器人在运动平稳性和速度稳定性方面能够满足其作为助力工具的需求。

针对目前完全自制硬件系统不能同时满足服务类机器人图像处理、多传感器数据采集、网络通信、导航、语音识别等多方面功能需求,自制单体式控制器又有成本高昂、研发周期长等缺点.该文提出一种通用型服务机器人控制器平台,平台分为硬件子系统和软件子系统.硬件系统由两部分组成,分别是基于Android开发的面向管理的中央调度与交互层控制器,以及面向服务的多核异构控制器.软件系统包含了支持服务机器人的开发语言——EngineerC语言,它可跨平台操作,能提取传感器、导航等信息并进行数据处理,将得到的数据生成机器人运动算法,最终获得人类控制机器人的规律.为了验证该系统的可行性,设计完成了多物料承载移动式服务机器人,经验证表明所提出的关键技术可以满足通用服务机器人控制器平台开发的需求.

针对目前数控机床的投入使用量逐年增加,数控机床操作工培养成本较高,熟练的机床操作工数量不能满足市场需求.提出了一种基于半物理仿真思想的虚拟实训系统架构.介绍了虚拟实训系统的总体架构,给出了系统架构图.提出了系统的组成模块,给出了机床控制器、虚拟样机运动仿真和通信方案,给出了控制器系统的原理框图.具体完成了一种四轴加工中心的虚拟实训系统的设计.实验结果表明,该四轴加工中心虚拟实训系统能够根据机床控制器的控制信号实现虚拟加工,模拟切削过程.整个虚拟实训系统设计合理、可操作性高,完全能够满足用户操作数控机床的需求.

针对现有餐饮服务机器人存在体型较大、菜品传送数量较少、封闭性差及成本较高的问题,提出了一种紧凑型餐饮服务机器人的平台架构.在样机的开发中,首先设计了可以密闭内置六盘菜品的移动式机械本体,其提升和传送机构实现了任一菜品的放置和送出动作;然后设计了基于微控制器和Android移动设备的混合控制器,实现了机器人的多媒体交互、网络通讯和运动控制等功能.该样机可用于低成本紧凑型餐饮机器人的进一步开发.

针对近年来工程机械投入使用量逐年上涨,操作员培养成本较高,操作员数量明显不足的问题,提出了一种融合半物理仿真思想的临境虚拟训练系统构架.介绍了其总体架构和关键技术,给出了系统控制器的设计方案、虚拟样机运动仿真的实现方法和系统内模块间通讯的具体方案,具体设计并实现了一种装载机临境训练系统.该系统能对装载机操作人员进行基础训练,达到提高培训效率和质量并降低培训成本的目的.

针对某管道检修设备的紧凑性、高机动性要求,设计了一种新型蛇形仿生轮腿式管道检修机器人.该机器人采用三节底盘结构设计,上面分别放置检测模块、控制模块和驱动模块.机器人的移动机构选用了半弧形柔顺腿结构设计,六条轮腿基于一个时钟驱动交替三脚步态,实现快速前进或后退.参照蛇的运动原理进行仿生,两相邻底盘之间采用万向铰接联接,通过控制后一节底盘两侧电机的转速,实现差速转向,进而控制整个机器人的运动方向.最后通过运动仿真,进一步验证了该管道检修机器人运动的可行性与稳定性.

Aiming at the urgent need of portable,miniaturized recon equipment fits for all kinds of terrain,a four-leg recon robot is designed based on the perspective of bionics.At first,the structures of robot,such as legs,support,shell and other parts are completed after choosing the whole symmetric structure of outside elbow and inside knee.Then,the design and description of its leg support,transmission,shock absorption and joint-driving functions are carried out.At last,the kinematics analysis of the movement of leg joints,robot body and the tip of the leg and the dynamics analysis of jogging gait are carried out through dynamics simulation software,it is proved that this robot could meet the requirement of stability of motion and velocity of recon equipment.