一、项目名称

SMC大学生气动技术活动室建设基金

二、项目实施单位

西安交通大学实践教学中心

三、项目简介

2014年起，SMC株式会社向西安交通大学实践教学中心设立“SMC大学生气动技术活动室建设基金”，用于支持西安交通大学实践教学中心建设“SMC气动技术活动室”，为西安交通大学学生提供了一个学习气动技术和科技探索的实践场所，并可进行创新竞赛的基地。2015年11月底 SMC气动技术活动室建设完并开展活动。

为支持工程坊“SMC气动技术活动室”开展活动，自2016年起，SMC株式会社向西安交通大学实践教学中学捐资支持活动的开展，具体支持如下：

1）互联网+技术在气动学习的研究与开发；

2）气动技术先导课程建设；

3）学生科技竞赛等。

四、开展时间及流程

开展时间：2019-2020 年度

开展流程：

（一）食品学院学生开展大学生科技项目：

（1）无菌发酵柜项目；

（2）溯源机器人项目；

（3）组烹饪机器人项目；

（4）采摘机器人项目。

主要为学生提供制作场地和部分实验材料，设备支持。

（二）支持本科生毕业设计工作：

（1）庞丁同学、机械55班，毕业设计题目：象鼻型气动连续体机器人运动控制实验与仿真分析，已读研。

（2）黄一轩同学、少年班51班，毕业设计题目：一种象鼻型气动机器臂的设计与仿真分析，已毕业。

（三）研究生开展气动机械设计、气动机器人研制和气动控制技术的研究。

（1）在购买的2台可编程气电混合控制机械手对其性能和进一步改进进行了研究；

（2）设计制作了三构节象鼻型连续体机器人样机，并对鼻型连续体机器人工作和控制机理进行了深入的研究。

五、项目成果

（一）前食品学院学生开展大学生科技项目：（1）无菌发酵柜项目；（2）溯源机器人项目；（3）组烹饪机器人项目；（4）采摘机器人项目。主要为学生提供制作场地和部分实验材料，设备支持。

学生名单：李昊晨、张婷婷、李佳昕、张家豪、逯莲；吴芳军、崔有毅、杨圣超；赵毅鑫等。

（二）支持本科生毕业设计工作：

（1）庞丁同学、机械55班，毕业设计题目：象鼻型气动连续体机器人运动控制实验与仿真分析，已读研。

论文主要工作：根据特定的“象鼻型气动连续体机器人一代样机”的结构特点，使用改进后的常曲率模型构建运动学模型，提出了“主平面”的观点，简化构节的变形并完成了相应的理论体系建立。分别讨论此机器人的三个构节，使常曲率模型能够真正应用于三维空间，较好的表现机器人单构节气动肌肉间的位置关系和各自的变形情况，在拥有拉线传感器的情况下使用刚性机器人的坐标变换公式联系三个构节，获得整个机器人的位姿，该模型取得了较高的准确性。完成了实验平台的搭建，标定拉线传感器使之能够较为准确的测量气动肌肉长度并提出了改进意见，结合运动学模型，可实现机器人整体位姿的实时监测。通过实验，研究了气动肌肉变形的特点，揭示了单构节“一定气压-气动肌肉伸长-构节变形”这一变形规律，讨论了三根气动肌肉互相作用和多个构节之间的互相影响，较为系统的分析了整个机器人的变形规律及其原因。

文末所得的意见和结论为此类型机器人的设计优化提供了的方向与方法，并为其控制提供了具有可操作性的控制策略。详见图1象鼻型气动连续体机器人平行双目视觉目标识别与定位系统

（2）黄一轩同学、少年班51班，毕业设计题目：一种象鼻型气动机器臂的设计与仿真分析，已毕业。

论文主要工作：研究内容为设计一种象鼻型气动机器臂并做仿真分析，主要方案为采用气动系统驱动象鼻型机械臂。在本设计中，选用了波纹管这种气动肌肉来实现机械臂无限自由度的运动。通过控制波纹管内的气压，可使其按需要伸长。当并联的波纹管伸长长度不同时就会让整体结构产生伸长与弯曲。为了使机械臂能灵活地向多个方向弯曲，方案选用多节波纹管。

课题的设计过程将包括以下几个阶段：首先，用SolidWorks软件进行3D建模设计，在对比了大象的几种典型运动的基础上，设计了包括头部、四节构鼻部和加持部三部分15个输入运动的象鼻型机械臂；然后，对所设计的象鼻型机械臂模型进行仿真分析，确认其可以被加工并装配，且关键零件强度满足要求，不出现干涉。最后，通过分析结果，提出对设计的进一步改进方向。

（三）研究生开展气动机械设计、气动机器人研制和气动控制技术的研究。

1）在购买的2台可编程气电混合控制机械手对其性能和进一步改进进行了研究；

（1）硕士研究生吴少华研究题目《气电混合驱动机械手动力学分析和轻量化设计研究》，已毕业。

研究内容：针对机械手设计时缺乏动力学理论分析的问题，本文从机械手动力学微分方程的组成形式上，提出了一种跨模型的动力学可视化图谱分析方法：将影响驱动力（矩）的重力因素项、速度因素项和惯性因素项分离出来分别进行研究，利用Adams和Matlab联合仿真，得到机械手末端点在工作空间任意位置下的三因素项大小，绘制成彩色图谱，方便设计人员直观分析机械手的动力性能，对物料搬运路径规划起到指导作用。通过分析不同速度、加速度组合下的耦合作用，找到速度和加速度偶合严重的区域，在路径规划中避开这些区域可有效减小驱动力（矩）。

对企业现有的平面蜘蛛手和两轴机械手进行了多刚体动力学建模，分析了摩擦、质量、速度对电缸驱动力（矩）的影响，得到机械手高速时（电缸的最大速度）电缸驱动力将超过额定值，无法实现给定运动，而减少质量可有效减小驱动力；利用ANSYS和Adams联合刚柔混合建模，对蜘蛛手和两轴机械手进行应力和变形分析，在高速模式下机械手刚度和强度远小于材料许用值，结构轻量化设计有很大空间。

轻量化时以优化目标下的动态载荷作为优化分析的边界条件，采取以形状拓扑优化和尺寸优化结合起来的轻量化设计方法，对平面蜘蛛手和两轴机械手进行了轻量化设计，将原机械手总质量分别减轻了73%和74%后，解决了机械手高速模式下惯性力大、驱动动力不足的问题。

为验证动力学分析和轻量化设计的结果，在平面蜘蛛手上进行了运动测试试验，轻量化前后低速和高速模式的驱动力矩与仿真分析的结果保持一致；通过对轻量化后杆件应力和各运动关节Y向位移的数据采集，得到强度和刚度均满足要求。

（2）硕士研究生石博博研究题目《气动伺服驱动并联机械手末端轨迹控制研究》，已毕业。

研究内容：本文首先从气动伺服基础驱动单元，即单个驱动气缸位置伺服控制单元的构建和数学建模入手，建立了ITV比例压力阀控位置伺服系统模型，采用带零速度区间的Stribeck摩擦力模型对气缸摩擦力进行表征。

第二，本文通过分析气缸运行中出现的“台肩”现象和“粘滑振荡”现象，采用带零速度区间的摩擦力补偿思想，探索有效消除因最大静摩擦力导致的气动伺服系统稳态偏差的方法。将模糊PID控制算法用于气缸位置伺服控制中，以提高控制精度。对单个气缸位置伺服控制做了相应的仿真分析。仿真结果表明在摩擦力补偿和模糊PID控制下，气缸位移稳态误差减小到1.5mm以内，响应时间减小到1.5s以内。

第三，设计了一种基于气动伺服驱动的两自由度并联机械手，并进一步对其进行了正运动学和逆运动学分析；采用ADAMS+MATLAB联合仿真的方法对气动伺服驱动并联机械手进行动力学仿真，仿真结果表明采用气压驱动的形式可以为系统运动提供足够的驱动力，验证了模糊PID控制算法对并联机构末端轨迹控制的有效性。

最后，设计并搭建了气动两自由度并联机械手实验台，包括硬件平台和软件平台；通过实验台对SMC ITV比例压力阀的动、静态特性进行了实验验证；利用模糊PID算法，进行了单个气缸的位置控制实验，气缸位移误差最大值为4.52mm；对双气缸驱动下两自由度并联机械手进行末端轨迹控制实验，实验结果表明：当末端理想轨迹为三角形轨迹时，轨迹误差最大为4.92mm；当末端理想轨迹为圆形轨迹时，轨迹误差最大值为10.29mm。

2）设计制作了三构节象鼻型连续体机器人样机，并对鼻型连续体机器人工作和控制机理进行了深入的研究。

（1）硕士研究生任树雄研究题目《一种仿象鼻气动连续体机器人设计与控制研究》，已毕业。

研究内容：1）在分析象鼻运动状态的基础上，设计了初代仿象鼻气动连续体机器人本体运动学研究样机。建立了机器人气动连续体构节的仿真模型，对样机进行了结构和设计参数对比分析；对样机进行初步运动控制实验，找出了样机设计中存在的问题；在改进初代样机缺陷后，完成了一种能够闭环控制的仿象鼻气动连续体机器人的设计。

2）对所设计的仿象鼻气动连续体机器人进行了运动学建模。利用拉线长度为控制变量建立了构节变形模型，使构节转化为离散关节，进一步结合D-H方法建立了机器人的运动学模型。结合仿象鼻气动连续体机器人运动学模型，求解了机器人的雅克比矩阵。基于该运动学模型可实现仿象鼻气动连续体机器人正、逆运动方程求解。

3）设计了仿象鼻气动连续体机器人的气动系统和电路控制系统。对仿象鼻气动连续体机器人的气动回路进行了设计，并选择了适合的气动元件；选择二级分布式系统作为本设计机器人的电路控制系统，设计了下位机嵌入式系统，制作了下位机硬件部分；针对仿象鼻气动连续体机器人的特性，提出了一种控制算法，编写了机器人正、逆运动学控制程序。

4）对仿象鼻气动连续体机器人进行了运动控制实验。测试了机器人的基本运动性能，包括伸长、弯曲、偏转以及末端执行器的抓取能力；测试了气动连续体构节的变形情况，基于实验数据建立了构节拉线长度和控制气压之间的关系；测试获得了机器人实际工作空间；控制机器人实现了给定点到点的搬运任务。在机器人工作空间中，末端处于不同位置时定位精度不同，实测目前机器人末端定位误差最小为1cm，机器人末端重复定位精度小于1cm。

本文设计完成的一种仿象鼻气动连续体机器人，实验表明可实现给定的功能动作，研究取得了成功。研究工作对仿象鼻连续体机器人的进一步开发和应用有重要的价值。

（2）硕士研究生贺晶奎研究题目《一种象鼻型机器人的视觉反馈运动控制研究》，已毕业。

研究内容：本文从象鼻型机器人的结构和控制系统方案设计入手，首先，合作进行了机器人结构部分、气动控制系统和机器人控制嵌入式系统的设计；独立建立了用于研究机器人及其构节运动的视觉系统。

其次，研究象鼻型机器人视觉反馈运动控制方法的第一步——粗略控制。其核心思想是因为象鼻型机器人在运动时既有弯曲又有伸长，需要利用视觉检测得到机器人各构节气压和长度的关系，再结合构节的常曲率变形模型，实现当已知目标物位置，机器人末端可以快速到达目标物的位置附近。具体工作有：进行了摄像机标定，评价标定精度并采用测距实验验证；利用单目视觉测量单节气动肌肉气压和轴向伸长变化关系，对其特性进行了分析；利用双目视觉分别测量单构节气动肌肉、象鼻型机器人各构节气压和长度的关系，由MATLAB得到其三元二次函数的关系模型；根据这两种模型，即可实现机器人运动的粗略控制。

第三，研究象鼻型机器人视觉反馈运动控制方法的第二步——精确控制。其核心思想是利用双目视觉实时检测机器人的位姿信息并反馈，控制系统对比实时位姿和期望位姿，根据偏差进行调节，使机器人尽可能达到期望位姿。具体工作包含：利用双目视觉分别检测单构节气动肌肉、象鼻型机器人的实时位姿，将信息传给控制系统进行处理，同时提出一种机器人各构节的控制策略，可实现机器人运动的精确控制。

最后，进行了多次利用视觉反馈运动控制象鼻型机器人抓取网球的实验，均取得成功，验证了本文采用的视觉反馈运动控制方法是可行的，为机器人的智能识别和跟踪抓取等进一步研究奠定了相应的基础。

（3）硕士研究生李源研究题目《象鼻型机器人末端位姿检测与控制方法研究》，已毕业。

研究内容：1）位姿检测技术研究：根据摄像头与机器人位置关系的不同，采用了眼在手的摄像头与机器人末端位置关系进行机器人末端位姿检测。利用深度摄像头REAL SENSE D435i提取ORB特征点空间位置，并根据同一空间特征点在不同图像中像素坐标位置的不同得到了摄像头的实时位姿。同时为了保证系统的鲁棒性，采用了图优化与随机采样一致性优化方法相结合的方式，增强了系统的精度与抗干扰能力。最后经过实验测得，旋转最大误差为1.3%，平移最大误差为5%。

2）逆运动模型建立：采用在线机器学习方法建立逆运动模型。由于气动肌肉存在粘弹性，为了保证象鼻型机器人气动肌肉伸长量与末端位姿存在唯一的确定关系，采用象鼻型机器人拉线传感器与末端位置关系数据来建立逆运动模型。采用基于路径的采样方式，并针对象鼻型机器人自身的驱动冗余问题提出了冗余加权与效率加权，选取了回归模型与目标点集，最后成功建立了逆运动模型，其平均误差为1.5 cm。

3）完成目标抓取实验：利用基于颜色的目标识别方法成功对目标物体成功进行了识别。在位姿检测方法的基础上获得了目标点在相机初始坐标系中的坐标，建立了气压与拉线长度关系模型。根据相机与机器人原点坐标系之间的关系得到了目标点在机器人原点坐标系中的位置，将目标点位置传给逆运动模型并利用拉线与气压关系模型给出了应输出的气压，最后驱动气动肌肉完成了目标的抓取。

本文实现了象鼻型机器人对目标物体的自主定位与自主抓取。研究工作对冗余驱动机器人控制，象鼻型机器人智能化开发与应用具有参考价值。

相关成果汇报：

1）参加2019年度SMC中国大学技术中心学术交流会

2019年10月24日-27日王晶、李源和张启航三人参加在成都市、电子科技大学清水河校区举办的2019年SMC 中国大学技术中心学术交流会，发表研究报告《一种象鼻型气动连续体机器人的研制》。2019年度SMC中国大学技术中心学术交流会代表合影。

2）接待SMC公司筑波中心的奥平次长和张护平课长工作检查

2019年10月28日SMC公司，筑波中心的奥平次长和张护平课长工作检查SMC气动活动室，并做工作交流。筑波中心奥平次长和张护平课长在SMC大学生气动活动室检查工作照片。

六、财务报告

2020年12月31日