基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计

采用绝对节点坐标方法对空间柔性机械臂臂杆进行动力学建模,采用自然坐标法对机械臂关节进行建模,最终得到刚柔耦合的空间机械臂动力学模型.对冗余自由度机械臂进行逆运动学分析,由规划的末端轨迹得到了含自运动项的关节转角轨迹.利用动力学方程中Lagrange乘子的物理意义,对机械臂系统进行逆动力学分析,推导了关节轴瓦与轴颈在运动过程中受到的关节驱动力/力矩.利用粒子群算法优化机械臂的自运动项,得到了最小化的关节驱动力矩能耗,从而形成了一种冗余空间机械臂关节驱动力矩优化设计新方法.在平面三连杆柔性机械臂进行了数值仿真,仿真结果表明:所提出的方法在实现末端轨迹跟踪的同时,能有效降低关节力矩能耗;得到的关节力矩连续性好,能够满足工程实际需要.      

基于神经动力学的冗余机械臂恒定转速比算法

提出一种基于神经动力学的恒定转速比（CRR）算法,用于解决冗余机械臂运动规划末端精度问题.在运动规划中,通过神经动力学求解出雅可比矩阵伪逆,由4阶龙格-库塔法得出实时精准的关节角速度,从而获得各关节平均速度比,并将其比值关系带入CRR算法中求解出最优关节角度.与传统的加权伪逆运动规划不同,CRR算法是在关节角位置层面求解,这也正是提高冗余机械臂末端精度的关键环节.在文末,通过平面3自由度和平面6自由度冗余机械臂模型进行运动规划仿真,仿真结果验证了算法的有效性.      

基于关节空间轨迹规划的机械臂远程控制

轨迹规划对提高机械臂的稳定性、可靠性、工作效率有重要意义。为实现对远程机械臂连续、平稳 、无抖动的控制,基于关节空间轨迹规划,提出了一种采用5次多项式插值函数对远程机械臂运动轨迹进行插补的优化算法。利用该算法对机械臂进行了实际的远程控制实验,实验结果表明,该算法使机械臂各关节运动连续、平稳,实时性好,能够满足实际的工作要求,为远程机械臂的安全应用奠定了基础。     

非冗余机械臂奇异路径跟踪算法

非冗余机械臂跟踪设定路径时 ,奇异点上 Jacobian矩阵降秩 ,基于 Jacobian逆的运动规划方法将失效。针对此问题提出一种精确跟踪奇异路径的算法 ,把路径跟踪问题化为非线性特征值问题 ,用数值方法求解路径跟踪方程 ,得到以扩展空间解曲线弧长为参数的逆运动学解 ,而关节轨迹可规划为弧长参数的任意函数。算法采用自适应步长和一阶模型预测方法 ,具有较低计算复杂性和较快收敛速度。给出一个仿真算例 ,说明了算法的有效性     

核电站蒸汽发生器维修机器人控制系统设计

针对一种用于核电站蒸汽发生器水室内辅助检修任务的6自由度作业机械臂,对其控制系统和运动轨迹规划进行设计研究.分析作业机械臂的工作环境和检修任务需求,设计了机器人的控制系统;对作业机械臂进行关节空间轨迹规划和笛卡尔坐标系轨迹规划,实现作业机械臂的点对点运动和连续路径运动,并利用深度相机和霍夫变换圆检测原理实现作业机械臂末端对管板圆孔的定位;对作业机械臂进行了轨迹规划运动实验和圆孔定位实验,结果表明,作业机械臂能够实现直线、圆弧轨迹运动和管板圆孔识别定位,满足蒸汽发生器的全方位检修要求.     

考虑冗余机械臂末端运动特性的规划方法

机械臂运动规划是机器人研究领域的重点,对机械臂能否顺利执行任务非常重要。目前,机械臂运动规划多使用RRT法,然而该方法是在关节空间进行规划,无法适用于机械臂末端执行器存在约束的任务。为了克服这个不足,该文提出了一种任务自由子空间RRT(rapidly-exploring random tree)法,在末端执行器任务空间的自由子空间中构建RRT,并对其每步扩张进行逆运动学轨迹优化,求解出相应的关节轨迹。此外,由于末端执行器速度对逆运动规划有重要影响,该文在逆运动轨迹优化阶段采用了最似梯度法,不仅考虑了末端执行器的运动速度,而且通过极小关节自由速度和优化目标负梯度的距离,重新确定了关节自由速度,增强了算法的优化能力。实验结果表明:该算法能有效解决机械臂末端存在约束的问题。     

利用增广雅克比矩阵的冗余机械臂逆运动学求解算法

针对冗余机械臂逆运动学问题,提出了一种利用增广雅可比矩阵的逆运动学求解算法.首先,将优化给定的目标函数作为约束任务对机械臂的任务空间进行增广,在此基础上构造增广雅克比矩阵.然后采用分解计算策略将增广部分分解,分别计算后,得到其数值结果.进而利用增广雅可比矩阵计算出关节速度,对其积分后获得关节位置.最后,将本文方法应用于七自由度冗余机械臂.仿真和实验结果表明,本文方法的求解效果优于梯度投影法,计算效率满足实时控制的要求且能够保证机械臂追踪封闭轨迹时运动的可重复性.     

八自由度全自动隧道喷浆机器人系统设计

对一款八自由度隧道喷浆机械臂进行了全自动喷浆系统的设计,引入虚拟关节并结合D-H(DenavitHartenberg)参数表来建立正向运动学模型,通过固定关节角法进行机械臂逆向运动学解算.采用激光雷达实现隧道面三维数据的采集,并对原始点云数据进行了去噪、采样、隧道面提取和中轴线提取等处理.采用点云切片技术处理三维点云数据,根据待喷面检测结果实现最优喷涂轨迹规划.最后采用模糊自整定PID控制算法控制机械臂各关节运动以实现全自动喷浆.在搭建的模拟隧道环境下进行了真机实验验证,设计的机器人能够全自动地实现三维扫描、待喷面识别、轨迹规划和运动控制功能,具有隧道全自动喷浆的能力.     

基于改进蚁群算法的六自由度机械臂路径规划

针对空间六自由度机械臂路径规划问题,提出了一种基于改进蚁群算法的路径规划方法。以ABB1410型号的六自由度工业机械臂为研究对象,建立D-H运动模型以求解正、逆运动学方程。设计了碰撞检测算法,使用改进后的蚁群算法进行路径规划,把机械臂末端的运动轨迹看作是依次经过规划路径的点的集合,求解机械臂运动的反解,得到相应的关节转角,实现了机械臂的路径规划。通过仿真实验验证了该方法实现六自由度机械臂路径规划的有效性及可行性。     

人机协作下机械臂动态避障与避奇异研究

针对人和机械臂在同一空间下协同工作时,机械臂的运动可能对人造成伤害这一问题,提出一种基于机械臂关节速度空间的动态避障与避奇异算法.该算法对机械臂的奇异性进行量化分析,采用最小阻尼二乘法实现机械臂的避奇异操作.同时融合人工势场的思想,借助机械臂的非完整雅可比矩阵,实现机械臂对人及自身的实时动态避障.最后在仿真和实际机械臂上进行实验,实验结果表明:该算法可以实时地对环境中的动态行人进行主动避障同时避开机械臂的奇异点,保证人机协作过程中操作人员的安全.     

冗余度机器人的障碍物躲避

给定机械手的初始形态和终端所希望的轨迹以及在工作空间内的障碍物,本文研究冗余度机器人无碰撞运动的规划问题,提出了基于J函数障碍物躲避的算法.关节坐标空间的安全轨迹的计算可通过障碍物躲避的性能指标而得到.由于J函数的计算仅与一些极点有关,计算量小,便于实时控制.仿真结果证明了所提出的算法的有效性.     

复杂环境下六自由度机械臂路径规划的Biased-RRT修正算法

为解决复杂环境下六自由度机械臂的路径规划问题,提出一种基于采样规则目标导向设计、父节点重选的修正算法。该算法在原目标偏置策略的基础上对随机采样点的选取规则进行重新设定,以引导算法搜索树在尽可能向目标区域扩展的同时有效避开复杂障碍物。在节点扩展方面,依据新节点距离目标点的远近采用变步长扩展方式,即在距离远时选用大步长,加快搜索树扩展;进入目标区域后选用小步长,防止节点扩展陷入局部死循环。在路径优化方面,所提算法通过引入基于路径代价最小的重选父节点操作及多余路径节点剔除操作,来使规划出的路径相对优化。最后,利用三次样条插值技术为机械臂各关节规划出一条光滑、连续且无障的运动曲线。仿真结果表明,所提算法可有效缩短路径规划时间、减少路径长度,较好地完成了复杂环境下六自由度机械臂的预期路径规划任务。     

NURBS曲线插补的离散比例积分器速度规划算法

传统NURBS(Non-uniform rational B-spline,NURBS)曲线插补算法忽略了弧长与曲线的参数关系,造成无法在线对速度进行实时调节,针对这个问题,该文提出一种NURBS曲线插补的离散比例积分器速度规划算法.该方法分2个步骤实现速度规划:①使用数值方法计算NURBS曲线弧长及给定速度的运行时间;二、使用具有加减速的对称性和信号转换功能的离散比例积分器,完成对NURBS曲线插补的在线速度规划.在离散比例积分器的速度规划方法中,起始段、结束段的轨迹速度能够得到实时控制,系统以不超过机床要求的加速度运行.实验结果表明,该文速度规划算法能有效地满足系统约束,保证机床平稳运行.另外,相较于其他算法,该文算法在插补精度、插补实时性及速度波动率性能方面优于现有方法,说明该文方法的有效性和先进性.     

S曲线加减速模式下的加工轨迹效率评价

建立了高速加工轨迹中的直线段、圆弧段、NURBS曲线段等基本曲线的几何模型,并在常用的、具有无柔性冲击特点的S曲线加减速控制模式下,以最短时间为优化目标,建立了约束条件下的速度规划方程组,给出了统计加工总时间的软件算法,从而为高速加工轨迹的效率评价提供了客观依据.同时,在完成速度规划之后,给出算法流程,计算每条直线段、圆弧段、NURBS曲线段所需要的加工时间,从而统计加工总时间,作为高速加工轨迹效率评价的技术指标.     

考虑交互轨迹预测的自动驾驶运动规划算法

针对自动驾驶汽车运动规划中预测周围交通态势的问题,提出一种考虑周围车辆间交互轨迹预测的运动规划算法.首先,针对结构化道路信息,构建改进社会力模型,对自动驾驶汽车周围的车辆行驶轨迹进行预测.其次,在Frenet坐标系下采样生成轨迹集合,将轨迹集合和预测轨迹投影到时空占用图上,计算投影点之间的最短距离进行碰撞检查,并结合加速度、曲率检查对轨迹进行筛选以得到候选轨迹.然后,构建代价函数对筛选过的候选轨迹进行评估得到最优运动轨迹.最后,不同行驶场景中的仿真结果表明,该运动规划算法能提前决策驾驶行为,规划出的速度曲线更加平稳,运动轨迹的安全性、舒适性和行驶效率更高.     

基于最少控制点的非均匀有理B样条曲线拟合

针对叶片型线的优化设计,提出采用自适应方法提取合适的节点来插值非均匀有理B样条(NURBS)曲线的算法,实现了满足一定精度要求的数据点云拟合以及控制点的计算.该方法首先通过点云外形特征提取主特征点,把主特征点作为节点插值NURBS曲线,通过德布尔递推公式求解控制点,然后根据误差及曲率信息自适应地增加节点反复迭代,直到达到要求的拟合误差精度,从而简洁有效地实现了大量数据点云的拟合.相比传统方法,该方法能够更快地达到要求的逼近精度,同时将误差与曲率信息结合起来调整节点,不仅适合于有局部大曲率及有噪声点的数据点云的曲率计算,而且可用于估计插值节点的数量和工业逆向设计中空间曲面控制点的提取,为优化设计奠定了良好的基础.     

机器人化飞机表面清洗车轨迹规划及控制系统设计

阐述了机器人化飞机表面清洗车的机械结构、动作原理、轨迹规划算法及仿真试验系统设计、电控系统设计．该清洗车的清洗立架由一个冗余机器人手臂构成,能够自主地灵活地完成各种复杂轨迹的运动,可以自动完成对不同类型的飞机表面清洗工作,具有一定的实用价值．     

UR机器人运动学与奇异摄动算法研究

首先分析了UR机器人的机械结构;其次通过数值迭代法对UR机器人的逆运动学进行了求解,严格控制了算法的精度和速度,验证了算法的正确性和快速性;再次提出了一种基于奇异摄动的控制方法,通过振动抑制方法将系统分为快慢两个子系统,实现降阶作用;最后绘制了正、逆运动算法的机械臂轨迹曲线,同时针对降阶后的系统设计控制器进行系统分析.实验结果验证了算法的有效性和精确性.     

机械手圆周运动的轨迹规划与实现

研究机器人跟踪由任意不共线空间三点所决定的外接圆曲线,提出了机器人圆周运动的一种笛卡尔空间的轨迹规划方法.该方法通过坐标变化将三维空间内的圆周轨迹规划问题简化到二维平面上进行研究,由此简化了轨迹规划问题;为了保证机器人圆周运动较好的插补精度和圆周轮廓,提出了一种可控插补精度的圆周插补算法.根据坐标变化以及插补算法给出了轨迹规划的算法步骤,将该规划方法用于微操作机械手,完成了机械手的圆周涂胶作业,实际应用表明该方法能够满足实时性和精度指标要求.