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.      

细长机械臂的刚度灵敏度分析与参数优化

针对细长机械臂的结构优化问题,提出了一种基于刚度灵敏度分析的参数优化方法.以三自由度固体火箭发动机内壁打磨机器人为例,首先给出了系统结构模型并建立了机械臂的刚度模型;其次,针对机械臂上7个关键部位的壁厚对弯曲刚度的影响进行了灵敏度分析,确定出对机械臂刚度敏感的4个部位壁厚变量;最后,以该4个壁厚变量为设计变量进行优化设计,得出了最优方案.仿真结果表明,经过参数优化后的机械臂刚度提高7.04%.该研究结果为此类机械臂的结构优化问题奠定了理论基础.     

漂浮基空间机械臂姿态与末端爪手协调运动的模糊变结构滑模控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的控制问题.结合系统动量守恒关系,分析、建立了空间机械臂系统运动的Jacob i关系及完全能控形式的系统动力学方程.在此基础上,应用变结构滑模控制理论设计了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的变结构滑模控制方案;为了克服上述变结构滑模控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的控制输出来动态调节变结构滑模控制器等速趋近率的系数,从而达到既保证系统具有快速响应又能消除原有控制器具有抖振缺点的目的.系统数值仿真运算,证明了上述控制方案的有效性.     

一种7-DOF机械臂的结构设计及其几何位置误差分析

基于双电机伺服驱动的关节设计制造了一种7-DOF协作机械臂,建立了该型机械臂末端执行器的几何误差模型,并且基于原始参数误差独立作用原理对参数误差进行分析与合成.基于数理统计大数定律,利用蒙特卡洛的方法对几何位置误差影响因素的灵敏度进行了数值仿真计算分析,找出对机械臂几何位置误差影响程度相对较大的参数误差.通过对机械臂末端执行器的几何位置误差计算分析,可知误差在工作空间内服从瑞利分布.经过实验测量,机械臂的重复定位误差不超过0.0591mm,并且绝对定位误差服从瑞利分布是显著性的,证明了双电机伺服驱动关节具有回差小、传动精度高的特点和误差分析的正确性,为机械臂的精度设计与应用提供理论依据.     

考虑系统总和扰动的多关节机械臂 反步有限时间滑模控制

针对多关节机械臂轨迹跟踪控制中存在的模型参数摄动和外部有界扰动等不确定性因素影响问题,设计了一种考虑系统总和扰动的反步有限时间滑模控制算法,用于实现多关节机械臂轨迹跟踪控制任务。首先,利用严格反馈形式描述多关节机械臂的动力学模型,并将模型参数摄动和外部有界扰动等不确定性因素看成系统的总和扰动,进而设计非线性扩张状态观测器对系统总和干扰加以估计,以提高系统的鲁棒性能;其次,在传统反步法设计的基础上结合有限时间滑模控制技术,完成系统反步有限时间滑模控制器的设计;最后,应用Lyapunov稳定性理论证明了多关节机械臂的位置矢量能够实现对期望位置矢量的有限时间稳定跟踪。仿真对比结果表明设计反步有限时间滑模控制算法的有效性。     

Dynamics optimization of a novel high speed and high precision 3-DOF manipulator

0 IntroductionParallel kinematic manipulators (PKM) are a classof promising machineforthe manipulationand assemble ofelectronic device , because they have some advantagesover the serial manipulator ,such as high load carryingcapacity,good dynamic performance and precise position-ing[1]. Anovel hybrid 3-DOF manipulator , which com-bines the advantages of parallel manipulator and serialmanipulator, is studied in this paper . As shown inFig·1 ,the manipulator is composed of planar parallelmec…     

机械臂逆运动学避障最优求解算法

针对多自由度机械臂在障碍物环境下逆运动学求解存在多解性和碰撞问题,研究了一种将碰撞检测算法、最短行程方法与差分进化算法相结合的具有避障能力的机械臂逆运动学最优求解算法。首先,以六自由度机械臂为研究对象,对机械臂和障碍物进行建模,并建立求逆运动学解的目标函数,目标函数由末端执行器位姿误差函数、目标角度与初始角度之间的变化量函数、碰撞检测函数加权求和组成;其次,利用差分进化算法对目标函数进行最优求解,为了减小函数权重对求解速度和精度的影响,设计了一种自适应权重优化算法,使得求解关节角度在优化求解初期快速达到最短行程位姿角度附近,而在优化求解后期具有更高的的求解精度,即可求得具有避障能力、行程最短且高精度的最优逆运动学解;最后,以UR5机械臂为例,通过MATLAB软件中的Robotics Toolbox工具箱对算法进行仿真验证,验证了算法的有效性。     

复杂多关节机械臂建模及逆运动学比较分析

针对含多种关节类型的复杂机械臂的建模问题, 在 D鄄H 参数法中引入虚拟关节建立运动学模型。 考虑机械臂逆运动学存在多解、 精度和实时性的问题, 通过4 种不同的 PSO(Particle Swarm Optimization)优化算法: 线性递减权重的粒子群(LPSO: Linear Decreasing Weight Particle Swarm Optimization)、 基于杂交的粒子群优化(CBPSO: Crossbreed Particle Swarm Optimization)、 基于模拟退火的粒子群(SAPSO: Simulated Annealing Particle Swarm Optimization)和混沌粒子群优化(CPSO: Choas Particle Swarm Optimization)进行计算。 随机选取工作空间的位置点, 验证优化算法能有效计算机械臂逆运动学解, 并对执行时间、 位置误差等方面进行了比较分析。 实验结果表明, 改进的 CBPSO 算法能有效计算复杂多关节机械臂的逆运动学解, 同时满足实际作业中对实时控制的要求。     

基于观测器和全局收缩映射的设定点控制

在没有速度测量和重力无法精确补偿条件下,研究了并联机器人的设定点控制。利用线性观测器理论对速度信号进行观测,设计了带有速度近似的比例拟微分(PD-proportion pseudo derivative) 有偏标称重力补偿的设定点控制方法。该控制器只能得到全局有偏稳定的控制结果。借助全局收缩映射定理,定义了参数修正算法,利用系统静差对观测器参数进行在线地重复修正,得到全局渐进稳定的控制效果。该观测器不需要系统模型,控制器-观测器结构简单,易于实用。对六自由度并行机器人的仿真实验表明:选择不同的设计参数可以获得不同收敛速度和输出震颤,但都能够确保系统输出收敛到标称点。     

主-从机器人双向伺服控制方法研究

设计了液压伺服主、从机器手,并对力觉双向伺服控制算法进行了研究与实验.由于零开口对称伺服阀的结构特点使得主机器手控制力不能直接驱动本身执行器,而需要主机器手控制力信息通过控制器来间接驱动,这一过程必然影响控制系统的响应速度.通过采用主、从机器手的力偏差信号控制从机器手,用主-从机器手的位置偏差信号控制主机器手的力觉反馈.这种新控制策略改变了从机器手跟随主机器手,主机器手感受从机器手力的常规控制模式,提高了主-从控制系统的响应速度,并可根据主机器手对从机器手的跟随来判断从机器手是否出现干涉等,对力感觉机器人双向控制理论研究与实践有一定的借鉴作用.     

并联机构动力学建模及伺服系统参数辨识

研究一种三自由度并联机构动力学建模及伺服系统参数辨识方法．首先导出了外移动副驱动，含平行四边形支链结构的位置、速度及加速度逆解模型，并利用虚功原理建立其刚体动力学逆解模型．在此基础上，提出了辨识该并联机构伺服系统参数的一种方法．该方法采用变频三角波输入，克服了伪随机二位式序列信号幅值变化大、易造成对伺服电机冲击和引起其速度环开环等问题，且通过附加惯性负载，可将包括伺服系统转动惯量在内的所有参数辨识出来，为系统动态性能在全工作空间内取优奠定了基础．     

锻造操作机夹钳平行升降机构运动学特性分析

对锻造操作机机械系统进行运动学特性分析,研究执行机构的运动规律,是实现操作机夹钳末端位置精确控制的前提。本文分析了某典型锻造操作机夹钳平行升降机构的机构特征及运动学特性,得到了夹钳末端随升降缸运动的变化规律以及夹钳平行升降动作的运动学逆解方程。结合锻造操作机具体结构参数对夹钳平行升降逆解近似公式的精度进行了分析,提出了采用高次方程近似公式的方法,并给出了二次方程近似公式,研究结果对于提高操作机夹钳末端的位置控制精度具有一定的理论价值。     

立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的位姿运动学分析

给出所设计的立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的模型;在该模型的竖直平面上对末端执行器进行了详尽的位姿运动学分析,提出了封闭矢量四边形法则在求解所有的不规则几何图形的位姿运动学逆解时都适用的观点.文中运用力矩平衡法确定其质心位置的方法;又根据封闭矢量四边形法则,建立了运动学位姿逆解模型,利用Moore-Penrose逆求解运动学位姿正解;最后在所规划的椭圆轨迹下,采用Simulink仿真软件进行了末端执行器的运动轨迹和绳长变化规律的仿真.研究表明:在所规划椭圆轨迹下,所有绳长的变化是连续的;位姿运动学正逆解相互验证表明所采用的算法是正确且通用的.     

机械臂位置跟踪自适应反演滑模控制律设计

针对机械臂位置跟踪控制问题,设计了一种新型自适应反演滑模控制律。该方法利用机械臂各关节的位置和速度误差建立了滑模面函数,并根据反演原理设计了反演滑模控制律。然后,通过设计合适的自适应律对外部扰动进行在线补偿,降低了系统对外部扰动的敏感性,有效地抑制了系统的抖振。最后利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性。仿真结果说明该控制律具有较好的控制性能。     

基于四元数的6-SPS并联机器人姿态奇异研究

基于四元数描述刚体的姿态,对6-SPS并联机器人姿态奇异做了研究,避免了欧拉角描述刚体姿态时的奇异性.推导出6-SPS并联机器人动平台处于给定位置时机构在三维空间中的姿态奇异轨迹解析表达式,并利用计算机给出其姿态奇异轨迹的三维可视化描述.得到在关于姿态参数的三维空间内的原点附近存在一个非奇异姿态空间,提出在此非奇异姿态空间内部寻找一个最小内切球,并以此球半径作为衡量机构在给定位置时的姿态能力的性能指标,最后研究了机构构形以及动平台位置对姿态能力的影响.     

五自由度关节式机械手的位置控制

建立了五自由度关节式机械手的运动学模型，设计了一种双环路位置随动系统实现机械手的位置控制。应用直接微分逆运动学解的方法求得关节速度参照值，用于控制机械手的位置，轨迹插补器采用直接函数计算法产生中间点位置参照值。     

基于3-RRRT并联机器人位置反解的精度分析

基于3-RRRT并联机器人位置反解方程，分析并联机器人结构误差对机器人末端误差的影响．当结构误差和末端误差都是微小量时，机器人误差为线性数学模型，仿真结果证实该算法可对3-RRRT并联机器人进行精度分析．     

采用改进模糊PID控制的串联机械手追踪误差研究

针对串联机械手运动角位移跟踪误差较大问题,提出了改进模糊PID控制方法。创建串联机械手简图模型,给出机械手动力学方程式,设计了模糊PID控制系统。引用粒子群算法并对其进行改进,采用改进粒子群算法优化模糊PID控制器,将改进模糊PID控制器用于控制串联机械手角位移变化。采用Matlab软件对串联机械手角位移跟踪误差进行仿真验证,并且与传统PID控制器和模糊PID控制器仿真结果形成对比。仿真结果显示,串联机械手采用PID控制器和模糊PID控制器,其角位移跟踪误差较大,而采用改进模糊PID控制器,角位移跟踪误差较小。串联机械手采用改进模糊PID控制器,可以提高控制系统的稳定性,削弱机械手的抖动现象。     

不确定非完整移动机械手的鲁棒控制

为解决一类系统惯性参数不精确知道且受摩擦力和外界干扰力的不确定非完整移动机械手的跟踪控制问题 ,首先通过消去约束反力 ,将所讨论的控制问题转化成易于解决的等价控制问题 ;然后 ,通过适当的状态变换将系统转化成一种标准型 ;最后 ,利用该标准型的特点提出了解决不确定非完整移动机械手跟踪控制问题的鲁棒控制器。该文所提出的控制器不但能使闭环系统的状态渐近趋于给定的期望轨迹 ,而且具有计算简单的特点。为验证所提出控制律的有效性 ,对一类特殊的不确定移动机械手进行了数字仿真 ,仿真结果验证了所提出控制律的有效性。     

一种新型三自由度并联机构逆运动学及其工作空间分析

以一种新型三自由度并联机构2-RPU&SPR为研究对象,对其逆运动学及工作空间进行分析.首先,利用矢量法对其逆运动学进行分析,推导出机构位置反解的显式数学表达式;随后,利用极限边界搜索法,根据并联机构位置反解及其它约束条件,获得其工作空间,最后通过数值仿真对逆运动学数学模型以及机构工作空间搜索方法进行了验证.