基于自运动的仿人七自由度机械臂逆解算法

基于七自由度(seven degrees of freedom,7-DOF)机械手臂的结构和自运动特性,提出通过对关节位置进行几何分析,求解机械臂逆运动学的方法.该方法在自运动构型的基础上,以0坐标系为其他坐标系的基系,根据同一向量在不同坐标系之间的投影特性与关节角之间存在着的对应关系,实现对七自由度机械臂逆运动学的求解.该方法能够求解出针对任一特定末端位姿的所有理论逆解.通过引入机械臂优化的二次目标,对所有理论逆解进行优化,可得最优逆解用于机械臂控制.与梯度投影法等通用算法相比,该方法具有直观简练、计算量小等优点,且不同的末端位姿求解过程互不影响,对系列性末端位姿连续求解不存在累积误差.     

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.     

工业机械臂末端执行器自动化装配技术研究

工业机械臂的末端执行器在面临实际的装配任时总是出现低、柔顺性低等问题。此次研究创建了一种机械臂UR5的柔顺装配控制方法，结合欧拉拉格朗日法和齐次变换矩阵分析动力学模型和动力学模型，分析关节干扰力矩和外力两者的关系，依据改进的内环阻抗控制器和滑膜控制器设计滑膜阻抗控制器。UR5机械臂外力碰撞仿真实验结果显示，2,3,4关节的角加速度最大值分别为4.2rad/s*s, 3rad/s*s,-7.8rad/s*s。而1,5,6关节角加速度均为±0.1rad/s*s。     

基于零空间的冗余机械臂轨迹有效性判断方法

针对传统方法难以在线判断冗余机械臂末端轨迹在关节限位和碰撞约束下有效性的问题,提出了一种基于零空间描述的在线判断S-R-S(球型-旋转-球型)七自由度机械臂末端轨迹有效性的方法.首先,提出有效计算关节限位下臂角集的方法和改进的碰撞检测方法以实时计算冗余机械臂的零空间.当给定末端位姿的零空间为空时,机械臂受关节限位和碰撞的影响无法到达该目标位姿.然后,基于该思想提出一个新的期望轨迹有效性判断方法,该方法无须像传统方法预计算和构建工作空间数据库,能实时判断多约束下末端轨迹的有效性.最后,机械臂实验验证了该方法的有效性和实时性.     

基于位姿分离法的模块化机械臂逆运动学分析

分析了7自由度冗余机械臂的运动学正逆解, 采用Denavit-Hartenberg(D-H)坐标法进行正运动学建模, 获得机械臂末端相对于基座的空间位姿; 采用位姿分离法进行逆运动学建模. 求位置逆解时, 由约束条件分别获得前4个关节角位移解析解; 求姿态逆解时, 采用欧拉角表示机械臂末端相对于基座的姿态, 减少了计算量. 以SCHUNK模块化7自由度机械臂为例,进行了运动学正逆解分析, 并基于虚拟样机进行了仿真验证.     

六自由度机械臂运动轨迹自动生成方法仿真与实现

运用运动捕捉系统,结合机器人运动学方法,提出一种六自由度机械臂运动轨迹自动生成方法.首先,在运动捕捉系统下得到人手臂末端的Marker标记点的位姿信息;然后,通过数据处理得到标记点的位姿矩阵,并将其作为机械臂末端执行器的位姿矩阵,进而通过数据流通道将该数据传入机器人运动学仿真系统,在仿真系统中运用代数解法求机器人运动学逆解,并进行运动学仿真.最后,将逆解求得的6个关节角度传入机械臂本体,实现机械臂末端执行器按照运动捕捉系统下手臂末端标记点的运动轨迹而运动.仿真实验表明:该方法具有可行性.     

液压伺服柔顺关节的变刚度设计与研究

为了提高输出力矩较大的机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种大转矩、刚度可连续变化的液压伺服柔顺关节。首先介绍了关节的结构、伺服机理以及阀控泄漏流量调节关节刚度的原理,然后建立了具有阀控泄漏流量的关节动力学模型,最后借助MATLAB/Simulink工具箱建立关节系统模型,研究了阀控泄漏流量对关节动态特性和刚度的影响。模拟结果表明,随着阀控泄漏流量的增加,系统的位置跟随性变差,位置误差相应增大,关节的刚度则随之降低。     

一种凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案设计

针对传统凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案存在采集精度不高、抗干扰能力差等问题,提出了一种凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案。采用绝对值编码器对机械臂位姿变化数据进行采集,并基于同步串行接口(SSI)差分输入、串行输出的设计方式完成编码器数据传输。选用复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为控制器,微处理器(ARM)STM32F412作为系统处理核心,通过控制器局域网络(CAN)接口完成数据输出。实验结果表明:本方案具有良好的采集效果,机械臂末端位置信息在X方向、Y方向和Z方向上的最大误差为9.60 cm,最小误差为0.09 cm,满足隧道施工中偏差不得超过±10 cm的技术要求。该方案保证了采集系统的采集精度,提高了数据传输过程中的抗干扰能力。     

液压伺服被动柔顺关节的柔顺特性分析

为了提高输出力矩较大的液压机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种液压伺服被动柔顺关节,首先介绍了该关节的结构、基本工作原理及液压控制系统动力学模型,然后借助MATLAB/Simulink工具箱建立关节系统模型并进行碰撞仿真实验,还通过模拟实验优化了相关参数。模拟结果表明,液压伺服被动柔顺关节具有良好的柔顺性,能够迅速对意外碰撞进行位置反馈调节。     

关节角参数化结合接近矢量可行方向的五自由度机械臂逆运动学求解

五自由度的机械臂无法达到任意位姿，采用传统的位姿描述方式进行逆运动学求解时，极易产生无解的情况。文中以一种适用于清洁、喷涂、焊接等作业的、由4个旋转关节和1个移动关节构成的五自由度机械臂为例，建立运动学模型并进行逆运动学分析，在此基础上，提出一种关节角参数化结合接近矢量可行方向的逆运动学求解方法。该方法基于自由度约束的末端位姿描述，先通过关节角参数化将末端执行器的运动空间由三维降为二维，再采用几何法分析末端执行器在不同目标位置（远端、中间端、近端）时的接近矢量的可行方向，从而避免参数盲目取值，确保运动学逆解的存在，然后根据运动连续性和各关节的运动范围从中筛选出最优解。路径规划仿真结果表明，实际路径与规划路径非常吻合，关节运动平稳，证明了所提方法的可行性和准确性。文中研究的五自由度机械臂具有一定的代表性，逆运动学求解方法计算复杂度低，求解过程较为简便，求解思路可为欠自由度机械臂的逆运动学求解提供借鉴。     

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。     

气液联控柔顺力控制系统及其自适应试验研究

针对阻抗控制中力控制的难点在于不能精确知道外界环境的刚度和位置,继而导致跟踪误差的问题,采用滑模位置控制器及自适应控制方法,设计了气液联控柔顺力控制系统.在外界环境模拟系统分别做往返斜坡运动(8 mm/s),以及在0.1 Hz正弦运动下,进行了气液联控柔顺力控制的试验研究.试验结果显示,位移的最大相对误差分别为1.85%和1.1%,力跟踪的最大相对误差分别为2.5%和1.85%,表明此方法具有较好的鲁棒性,可以克服系统对于环境参数精确性的依赖.     

机器人主动柔顺恒力打磨控制方法

为了解决打磨过程中打磨控制系统存在扰动问题,设计了一种机器人力控末端执行器,并提出了一种机器人主动柔顺恒力打磨自抗扰模糊变阻抗控制方法.所提方法的内环控制采用模糊变阻抗控制器,外环控制采用自抗扰打磨控制器.采用Lyapunov稳定性理论证明了所提方法的跟踪误差收敛为零.通过仿真和实验,验证了所提方法的有效性和适用性.研究结果表明：在内环控制相同情况下,与外环控制为PID控制器相比,所提出的机器人主动柔顺恒力打磨自抗扰模糊变阻抗控制方法减小了打磨过程中的力跟踪误差和位置超调量,提高了机器人打磨力控制系统的控制效果和鲁棒性,实现机器人柔顺恒力控制.     

基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计

通过分析人体腕关节的组织结构和运动特性,设计了具有柔顺性的3SPS-1S并联机器人手腕机构.3条移动副支链作为驱动,在驱动支链中加入串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)来实现并联机器人手腕的柔顺性.建立了3SPS-1S并联机构的运动学逆解,推导雅可比矩阵,提出了确定SEA弹簧刚度的方法;基于位置补偿思想,实现柔顺手腕的位姿控制.通过实验验证了该机构对未知负载具有被动柔顺性,通过主动柔顺控制可以实现更高的主动柔顺性.     

5 自由度机器人操作器运动学逆问题的解析解

为求解5自由度机器人操作器的运动学逆问题,本文提出了一个完整的简化求解方程组,并利用此方程组求得具有解析解的5自由度操作器的8类结构形式及具有球型手腕的6自由度操作器的运动学逆问题的解析解.     

机器人的一种自校正控制算法

本文给出了一种新的、结构简单的机器人数学模型。把文献[1]的结果扩展并应用于机器人的轨迹控制,并导出了一种新的机器人自校正控制算法。仿真结果证实了本文所提方法的可行性。     

基于ANFIS的挖掘机器人挖掘轨迹仿真

为提高液压挖掘机器人工作装置挖掘作业轨迹规划控制精度,将挖掘机器人工作装置简化为斗杆、铲斗两关节二维机械臂进行分析.在建立逆运动学模型时,要将铲斗末端位姿空间与工作装置关节空间和油缸空间联系起来进行轨迹规划,以便在各个空间实现对挖掘机器人的控制.为提高跟踪期望轨迹精度,采用两个自适应神经模糊推理系统(ANFIS)分别学...     

机器人操作臂逆运动学分析

在很多机器人应用问题中,人们感兴趣的是操作臂末端执行器相对于基础坐标系的空间描述。文章结合实验平台——5DOF操作型机器人,主要用D-H表示法研究了关节变量空间和末端执行器位置和姿态之间的关系,即运动学逆问题。     

一种三自由度气动人工肌肉并联平台动态数学模型

针对一种气动人工肌肉（PAM）并联平台,采用新颖的PAM数学模型,推导出该并联平台的状态空间形式三自由度动态数学模型;以三自由度并联驱动位置跟踪实验采集的数据作为动态仿真模型的输入,进行了并联平台的动态性能仿真.仿真与实验结果对比,验证了所推导出的并联平台动态数学模型的合理性与有效性.     

基于绳驱动的多段柔性连续体机械臂的运动学与实验研究

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法,建立了任务空间和驱动空间的正逆运动学映射模型。以任务空间变量连续体机械臂末端位置为神经网络的输入量,驱动空间变量驱动绳的拉伸量为神经网络的输出量,拟合出了连续体机械臂末端位置和驱动绳拉伸量的映射关系。最后,进行了连续体机械臂的弯曲运动和轨迹跟踪实验。实验结果表明：双段连续体机械臂弯曲角度可达180°,验证了连续体机械臂具有大角度弯曲能力;在连续体机械臂末端的圆轨迹跟踪实验中,连续体机械臂的末端在x轴、y轴、z轴方向的平均绝对位置误差为1.743、1.334和1.172 mm,验证了连续体机械臂的运动学模型的有效性。