产品详细介绍 机械臂运动算法STEAM主题课程 项目背景 随着工业 4.0 科技革命的到来，工业机器人已成为工业化程度的重要标志。机械臂是最为典型也是最早出现的工业机器人，它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，提高生产效率的同时避免人身事故的发生。机械臂课程的学习可以培养学生将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。 在本项目中，学生可借助机械臂运动算法套件与人工智能与编程教学系统，了解关节机械臂和伸缩机械臂的原理及特点，搭建不同类型机械臂并通过编程实现智能控制。 课程性质 这是一门以项目式教学开展的跨学科课程，以基于建构主义理论的 5E 教学模式作为指导，结合了 中小学信息技术课程标准与编程教学特色。 课程目标 1.知识与技能 ⚫  了解机械臂的类型及其在现实生活中的应用。 ⚫  掌握关节机械臂和伸缩机械臂的结构特点，设计并制作相应模型。 ⚫  学习图形化编程或 C++代码编程的基础知识，使模型完成实际任务。 ⚫  掌握机械臂运动算法的设计、编写及调试。 2.过程与方法 ⚫  通过观察、查阅相关资料等活动，培养对信息的有效性、客观性做出判断的意识，发展分析概括能力。 ⚫  通过机械臂模型的搭建和编程，发展编程思维和工程思维能力。 ⚫  在完成模型设计和算法设计过程中，提高分析问题和解决问题能力，养成自学能力。 3.情感态度与价值观 ⚫  了解机械臂在日常生活中的实际应用，萌发将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。 ⚫  养成实事求是，尊重自然规律的科学态度。 ⚫  关注科学技术对社会发展、自然环境及人类生活的影响。

睿尔曼单臂复合机器人平台，可实现机器人建图导航、路径规划，机械臂运动学、动力学、轨迹规划、视觉识别等算法和应用，提供丰富的控制案例和开放式的软件框架，支持用户针对使用场景进行应用开发。

南开大学自动吊车研究团队成功研制出32吨级安全高效自动桥式吊车系统一套，并提出了一系列高性能自动控制算法，取得的成果在国际上处于领先地位。经“国家起重运输机械质量监督检验中心”提供的权威检测报告知：它可使运送效率相比传统PID控制方法提高77%以上，同时使操作人员的工作效率提高2至3倍，具有良好的经济和社会效益。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 桥式吊车应用非常广泛，现有的人工操作方式工作效率很低。  人工操作吊车的主要问题： 工作效率低 定位准确度不高，难以应用在核电场合 人工操作安全系数低，伤亡事故频发 国内统计：吊车作业伤亡事故占很大比率 美国统计：年均死亡300~400人，死亡人数逐年上升 自动吊车研究目标： 对负载的自动快速运输，提高运输效率与自动化水平； 对负载的摆动进行抑制，提高效率、安全性与操作精度； 对各种紧急情况的自动处理，提高安全性。  南开大学自动吊车研究团队成功研制出32吨级安全高效自动桥式吊车系统一套，并提出了一系列高性能自动控制算法，取得的成果在国际上处于领先地位。经“国家起重运输机械质量监督检验中心”提供的权威检测报告知：它可使运送效率相比传统PID控制方法提高77%以上，同时使操作人员的工作效率提高2至3倍，具有良好的经济和社会效益。所搭建的自动吊车已在天津起重设备有限公司内进行初期应用，目前正积极推进产业化。

气固流动参数检测和可视化尤为重要，是稠密气固流动系统复杂研究体系中的共性问题之一。针对该问题，东南大学多相流测试研究室多年来开展了电学与激光散射的稠密气固流动可视化及参数测量与表征方法的研究工作。 开发的电容层技术析成像系统(ECT)与激光光纤颗粒测量系统，可实时、在线检测多相流参数的二维或三维分布状况，已成功应用于湍动流化床与浓相煤粉加压气力输送中试试验装置上。

项目成果/简介:旋翼无人机成功实现了把“人的眼睛”带到空中，在民用消费等领域得到广泛应用。本项目突破了多关节机械臂与旋翼无人机集成技术，实现把“人的眼睛和手臂”带到空中，把无人机的能力从“非接触观测”提升到“接触作业”，从而极大地拓展无人机的应用领域。项目以人工智能技术为基础，将其与飞行机械臂系统相结合，重点突破模块化可重构超轻型机械臂设计、复杂耦合系统的稳定性、动态非结构环境感知与理解、自主作业技能学习与发育、协同优化行为决策与优化等核心技术，研制出多轴电动无人机+单机械臂、单旋翼带尾桨无人机+双机械臂两种产品样机，实现其自主作业，为后续产品、产业化奠定基础。本成果对于我国打造无人机新的产品形态、推进无人机产业的持续发展、进而抢占无人机技术产品产业的国际制高点具有重要意义；同时，作为典型军民两用产品，这种新技术具有巨大的军民融合发展前景。项目阶段:已成功研制出样机系统、开展飞行试验效益分析:本项目最大特色在于将机械臂技术与飞行机器人技术相结合，实现了空中自主作业。完全突破了目前无人机只能完成非接触、观测类任务的局限，是无人机领域一种全新的产品形态、也非常有可能成为一种新业态。多自由度机械臂与无人机相集成（如下图所示），机械臂的运动、甚至和外界环境相杰出，都给飞行器的控制带来极大挑战；同时，要实现其对空中、地面的动目标进行识别、跟踪、捕获等作业，都需要很高的自主行为能力；相关的控制技术是本项目的亮点。

旋翼无人机成功实现了把“人的眼睛”带到空中，在民用消费等领域得到广泛应用。本项目突破了多关节机械臂与旋翼无人机集成技术，实现把“人的眼睛和手臂”带到空中，把无人机的能力从“非接触观测”提升到“接触作业”，从而极大地拓展无人机的应用领域。项目以人工智能技术为基础，将其与飞行机械臂系统相结合，重点突破模块化可重构超轻型机械臂设计、复杂耦合系统的稳定性、动态非结构环境感知与理解、自主作业技能学习与发育、协同优化行为决策与优化等核心技术，研制出多轴电动无人机+单机械臂、单旋翼带尾桨无人机+双机械臂两种产品样机，实现其自主作业，为后续产品、产业化奠定基础。本成果对于我国打造无人机新的产品形态、推进无人机产业的持续发展、进而抢占无人机技术产品产业的国际制高点具有重要意义；同时，作为典型军民两用产品，这种新技术具有巨大的军民融合发展前景。

本发明公开了一种假肢臂差动关节机构，包括支架和固定于支架上的两电机、两减速机构、两传动机构和差动齿轮关节机构，两电机的输出轴分别依次连接两减速机构、两传动机构和差动齿轮关节；差动齿轮关节包括第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴和第三锥齿轮轴，第一锥齿轮轴和第二锥齿轮轴均与第三锥齿轮轴啮合，第一和第二锥齿轮轴的轴端分别作为第一和第二驱动端；当两电机同向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的前屈或后伸运动；当两电机反向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的外展或内收

智能七关节机器人Sawyer的柔顺控制技术，使其能适应现实世界的多变性，灵活快速地在不同应用场景中部署。拥有可自主切换的开源ROS和工业Intera双系统，满足高校机器人工程教育和科研开发需求。

项目成果/简介:本项目开发了一套 32 吨级工业自动吊车系统，相关技术处于国际领先地位。本展品可使吊车运送效率比当前主流方法提高 77%以上，行程 6 米时，最大定位误差不超过 5 毫米，精度非常高。同时，本展品可确保事故率降低 50%以上，使操作人员工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重设备有限公司生产的吊车上进行了大量的推广应用。 这项成果符合《中国制造 2025》的战略目标，具有非常显著的经济效益。它定位精度高，有助于实现核废料运送与处理等操作。无人式的操作方式可以使桥式吊车在各种危险环境下作业，从而进一步拓宽了其工作范围，在先进制造行业产生了非常积极的影响。 这项成果在创新性方面处国际领先水平。在吊车控制方面，国际上近 5 年来引用数排名前十名的论文中，这项成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇纯教授应邀前往波兰华沙参加第 11 届机器人运动与控制研讨会并做大会报告（其他三位大会报告人分别来自美国，法国，葡萄牙）。2016 年，成果入选国家自然科学基金委资助项目优秀成果选编（六），信息科学部 5 年共入选成果 25 项，其它入选成果的第一完成人分别为高文院士，杨学军院士，钱锋院士，房建成院士，郝跃院士等著名专家。应用范围:吊车是应用领域最广的设备之一，我国在基础设施建设上的持续投入，为吊车类起重机械的蓬勃发展提供了非常好的机会。随着产业转型升级和战略性新兴产业发展，智能起重机是起重机行业的大势所趋，也是当前智能制造业的迫切需求。具体体现在：（1）新兴产业促使起重机趋向大吨位、高效率、自动化、智能化及多用途方向发展。（2）用户对起重机性能的要求不断提高，为此必须借助于新兴的智能技术来研制智能型起重机。（3）随着全球经济一体化，制造企业需要借助于智能起重机来提升装配水平和生产效率，增强在国际市场的竞争力。 本自动化吊车可以为地方经济和社会发展注入活力，可望形成重要的产业基地。主要体现在：（1）本自动吊车科技水平高，可以提高相关制造业的技术水平和产品竞争力。（2）本自动吊车本身及衍生产业可以提供就业机会，缓解社会压力。（3）本自动吊车主要用于具有智能化生产流程的核电、码头、建筑行业等，可带动上下游企业的发展。（4）本自动吊车具有良好的市场前景，更便于带动产业的发展，在实施地区可形成重要的产业基地。效益分析:特色 1：本展品的自动化吊车包括机械部分与电气部分，还开发了吊车自动控制软件系统。具体而言，为了实现高性能自动控制，提高实时性，设计了基于 DSP 的多轴控制板。手/自动操作可由遥控器上三个按钮进行设置，DSP 可以实时监测对应的三路信号来判断吊车的手/自动状态，以便在变频器操作模式无变化的情况下，通过 PLC实现吊车手/自动控制状态的平滑切换，自动模式由 DSP 提供控制信 号，手动模式由单片机提供。 特色 2：建模、轨迹规划、跟踪及自动快速消摆技术。提出了一种精确的多吊绳吊车模型与一种基于鱼群行为的 RNA 遗传算法的建模方法。可更为准确地刻画实际工业吊车特性，为后续控制方法设计与分析奠定坚实的基础。提出了多种便于台车跟踪的自动消摆轨迹，简单易行，效果良好。此外，提出了一种增强耦合非线性消摆控制技术、一种鲁棒滑模控制方法以及一种考虑轨道约束的自适应消摆控制技术，能充分考虑外界干扰与未建模动态的干扰，取得良好的防摆与定位控制效果。此外，考虑吊车执行器的饱和约束、部分信号不可测量等实际问题，还设计并提出了一系列行之有效的自动控制方法。 特色 3：运动体检测与三维场景重建技术。具体而言，项目组搭建了一种彩色点云获取设备，可以准确获取实际工况下带有颜色信息的三维点云。提出了一种三维的正态分布变换算法，在实际应用中取得了稳定有效的结果。为防止桥式吊车现场危险事故的发生，设计了一种智能监控系统来发现进入吊车操作现场的人，并在可能发生危险时进行警报。经大量测试，所提技术能很好地完成预定任务。 特色 4：持续扰动抑制。针对野外工作的吊车系统，设计了一种适用于持续扰动情况下的非线性复合消摆方法。除此之外，针对周期性干扰的不利影响，项目组还提出了一种重复学习与部分反馈相结合的控制方法。两种方法均可有效抑制持续干扰对吊车系统的影响。 特色 5：竖直起降技术。针对负载的起吊、落吊、水平传送过程，提出了一种非线性跟踪控制方法，该方法能保证台车及绳长变化的跟踪误差始终地保持在任意设定的范围内并收敛于零，同时能有效地消除负载的摆动，大幅提高系统的工作效率。

本项目开发了一套 32 吨级工业自动吊车系统，相关技术处于国际领先地位。本展品可使吊车运送效率比当前主流方法提高 77%以上，行程 6 米时，最大定位误差不超过 5 毫米，精度非常高。同时，本展品可确保事故率降低 50%以上，使操作人员工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重设备有限公司生产的吊车上进行了大量的推广应用。 这项成果符合《中国制造 2025》的战略目标，具有非常显著的经济效益。它定位精度高，有助于实现核废料运送与处理等操作。无人式的操作方式可以使桥式吊车在各种危险环境下作业，从而进一步拓宽了其工作范围，在先进制造行业产生了非常积极的影响。 这项成果在创新性方面处国际领先水平。在吊车控制方面，国际上近 5 年来引用数排名前十名的论文中，这项成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇纯教授应邀前往波兰华沙参加第 11 届机器人运动与控制研讨会并做大会报告（其他三位大会报告人分别来自美国，法国，葡萄牙）。2016 年，成果入选国家自然科学基金委资助项目优秀成果选编（六），信息科学部 5 年共入选成果 25 项，其它入选成果的第一完成人分别为高文院士，杨学军院士，钱锋院士，房建成院士，郝跃院士等著名专家。