多冗余度的机械臂容错操作中关节速度突变的研究

推导出了使速度突变极小化的退化机械臂关节速度的解析表达式,并从理论上证明了原机械臂关节速度最小范数解中的剩余关节速度矢量在退化机械臂零空间中的投影为零矢量,该结论适用于任意冗余度的平面和空间机械臂。研究结果表明,利用多冗余度机器人机械臂容错操作可以明显减小关节速度突变,提高容错操作的运动平稳性。     

机器人离线轨迹规划的图形仿真的研究

本文研究在IBM-PC微机上进行机器人离线轨迹规划的图形仿真系统。该系统可用于机器人运动学,动力学和轨迹规划的分析,并能产生机械手和广义物体组成的环境物的三维几何模型。系统以交互方式工作。在微机的CRT上,机械手连杆的运动具有动态效果,基于MINIMAX准则,我们提出了一种用于轨迹规划的动力学性能指标。根据该指标所进行的轨迹规划可以获得最小的关节驱动力矩。文中给出了PUMA560和STANFORD机械手的仿真结果。     

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.      

基于一种半开式滑槽球副的3-PSP并联平台设计

提出在并联机构中应用一种1移动3转动半开式滑槽球副结构,该运动副将1个移动副和1个球副集成为一个复合的运动副,可以缩短并联机构中支链的尺寸链,有助于提高并联机构精度.基于半开式滑槽球副设计了一种3自由度(3-DOF)PSP三轴并联平台,通过对此机构进行的运动分析和支链的精度分析,导出各个支链的逆解方程,同时根据影响支链运动精度的各个因素给出支链系统误差的线性补偿方程,证明此并联机构具有易于控制、运动精度高的优势.     

环境约束可重构机械臂模块化力/位置控制

针对受环境约束的可重构机械臂系统,提出了一种自适应神经网络模块化力/位置控制方法.利用雅克比矩阵将机械臂末端与环境接触力映射到各关节,将系统动力学模型描述成一组通过耦合力矩相关联的子系统集合,通过控制各子系统的位置和力矩来达到控制末端执行器位置和接触力的目的.利用神经网络估计可重构机械臂系统的非线性项和交联项,通过自适应更新律在线估计神经网络权值函数,并引入滑模控制项补偿估计误差,从而保证闭环系统渐近稳定.最后,在不改变控制器参数的条件下对2个不同构形的2自由度可重构机械臂进行数值仿真,结果验证了所设计控制器的有效性.     

Global optimization of manipulator base placement by means of rapidly-exploring random tree

Due to the interrelationship between the base placement of the manipulator and its operation ob-ject , it is significant to analyze the accessibility and workspace of manipulators for the optimization of their base location.A new method is presented to optimize the base placement of manipulators through motion planning optimization and location optimization in the feasible area for manipulators. Firstly, research problems and contents are outlined.And then the feasible area for the manipulator base installation is discussed.Next, index depended on the joint movements and used to evaluate the kinematic performance of manipulators is defined.Although the mentioned indices in last section are regarded as the cost function of the latter,rapidly-exploring random tree ( RRT) and rapidly-ex-ploring random tree*( RRT*) algorithms are analyzed.And then, the proposed optimization method of manipulator base placement is studied by means of simulation research based on kinematic per-formance criteria.Finally, the conclusions could be proved effective from the simulation results.     

工业机器人动力分析

木文用矢量运算和拉格朗目方程推导出一套工业机器人运动学和动力学计算公式.这些公式可用来计算机器人上各连杆的运动速度、加速度、惯性力,以及各关节上驱动器的功率和机器人的最大负荷能力.文中的几何影响系数仅与各连杆的位置和方向有关,因而使公式变得简单而明确.这些公式除用于机器人设计计算外,也可以用来研究机器人的动力特性,以及对机器人的运动进行实时控制.     

六自由度水下机械臂动力学模型及流阻影响研究

针对应用于深水环境的六自由度水下机械臂,首次基于迭代Newton-Euler矢量力学方法和Morison方程建立了静水条件下考虑流体阻力的六自由度机械臂动力学模型,得到了各关节流体拖曳力矩和附加质量力矩的解析表达式,进而推导获得了各关节的驱动力矩和水阻力矩解析表达式.通过Matlab软件仿真分析了流体阻力对机械臂关节控制力矩的最大影响可达8.69%,结果表明流体阻力对机械臂的影响是不可忽视的.在某些水下高精度作业的情况下,应用文中提出的考虑流体阻力影响的六自由度机械臂动力学模型可以获得更高的机械臂控制精度.      

双自由度串联机械手的输入转矩优化

针对串联机械手在执行任务过程中执行机构输入转矩较大,导致机构运动不平稳的问题,创建双自由度串联机械手运动简图模型.采用能量最小化控制方式,构造能量控制的动力学方程,分析机械手关节角度、连杆质量及各关节之间的距离,确定优化关系式.采取优化方法计算输入转矩的控制方程,得出输入转矩的最佳尺寸,并结合具体实例,在Matlab/Simulink软件中对优化后输入转矩进行仿真.结果表明:与优化前的仿真结果相比较,优化设计后机械手输入转矩较小,整体波动相对平稳,效果较好.     

冗余度机器人灵活性的控制

本文研究冗余度机器人没有障碍物存在时的轨迹规划,提出了在Chebyshev意义下,用以改善灵活性的控制算法。控制算法利用连杆间的自身运动,即利用冗余空间产生出满足终端运动要求的、较低关节速度的机器人形态,灵活性的控制可通过线性规划方法求解。平面三连杆和四连杆机械手的仿真结果,证明了本文所提出的控制算法的有效性。     

空间操作臂的高效率动力学建模方法

为了减轻在无外力情况下,空间操作臂系统的操作臂与载体之间的动力学耦合作用,结合增广体、虚拟操作臂及动力学等价操作臂理论,将系统转化为一个具有等效运动学及动力学的基座固定的操作臂系统,使得固定基座操作臂系统的建模方法可以直接应用到空间操作臂系统中,将高效率动力学建模方法空间算子代数理论应用到空间操作臂系统建模中,从而解决空间操作臂系统动力学建模复杂及效率不高的问题,易于计算工作空间,为实时控制奠定了基础.     

关于操作手路径优化研究的一种方法

将操作手的路长规划问题分解成两部分：一是利用现有的研究方法解决基于在线路径轨迹的离线过程的路径优化,并采用三次样条函数构造各关节轨迹;二是研制在操作手的每对相邻簇集间时间分配的算法,使得操作手在满足关节速度、加速度、加加速度等物理约束条件下,总的移动时间最短。     

紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节设计

内嵌扭矩传感器的紧凑型一体化关节可增加机器人的负载质量比,提高力控安全性,更适用于服务行业。通过对轻型协作机器人关节的研究,提出了机器人关节系统整体设计方案。基于关节设计参数,研究关节系统工况负载下的可靠性。对关节扭矩特性进行分析,设计了17型号关节扭矩传感器本体,并采用有限元仿真方法,验证了应变片安装位置的合理性。研制了放大与低通滤波电路系统,并对传感器进行实验分析标定,拟合扭矩电压特性曲线,得到线性度、灵敏度、迟滞和零漂参数。最后对研制的关节整机进行负载测试,并应用于五自由度碳纤维轻型机械臂系统。结果表明:紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节质量轻、负载能力高,扭矩传感器具有较高的精度和灵敏度。     

一种直接面向位移寻优的冗余度机器人运动规划算法

针对冗余度机器人梯度投影逆解算法和数值优化方法在处理位移层面附加作业任务时存在的不足,基于自运动流形,推导出直接面向位移寻优的冗余度机器人运动规划的新算法.新算法将运动规划等效为两步来完成,首先采用非冗余关节实现末端操作器的精确位姿跟踪,然后利用附加作业对冗余关节位移的梯度来调整冗余关节,再利用机器人的自运动来实现附加作业.仿真结果表明,新算法在有效完成主任务和附加任务的同时还具有更快的求解速度,因此更适于冗余度机器人完成位移层面的附加作业任务.     

基于偏置补偿的6自由度腕部偏置机器人逆解算法

串联6自由度腕部偏置机器人一般没有实用的封闭形式位置逆解.根据几何特征分析,以对应的腕部无偏置机器人的封闭解为基础,通过对腕部偏置量的平移补偿和对手腕位置点坐标的迭代修正,得到了腕部偏置机器人位置逆解的数值解.算法保证了末端姿态的正确性.根据末端位置精度要求控制迭代次数,可以得到任意精度的位置逆解.逆解过程中各关节变量的计算采用腕部无偏置机器人的封闭解,使得程序具有通用性.大量的数据试验表明,该算法可以满足实时控制要求.     

4-DOF 串联仿生机械臂动力学建模方法

串联机械臂在仿生机械、工程机器人中得到广泛应用，如何建立有效的串联机械臂系统动力学模型，解决好模型求解的精度和实时性问题是深入开展机械臂运动控制研究的基础。分别采用牛顿 欧拉法、基于动能积分法的拉格朗日方程和基于等效动能法的拉格朗日方程3种求解机械臂动力学模型的方法，对某仿生螳螂前臂四自由度机械臂进行建模研究，通过具体求解过程对比分析了上述3种方法的实时性、精确性和通用性，为该串联机械臂的运动控制研究提供支撑。     

并联机器人位置空间分析的几何法

结合６－ＳＰＳ并联机器人的结构特点，在考虑主动副运动范围和从动副结构约束情况下，提出了上平台位置空间分析的一种几何方法。该法可直接获得三维位置空间的边界曲面方程从而可方便地绘出位置空间各截面形状。     

拟人多关节假手动力学的计算机模拟

本文主要讨论确定假手各关节转角(广义坐标)的变化规律,提出了一种反馈补偿算法。这种算法的实质是利用计算机来进行假手几何模型的数值求解。研究表明,该方法具有速度快、精度高等优点,可以广泛适用于不同参数、不同结构的假手计算。     

钢铁机器人—1操作手动力方程的建立

本文应用拉格朗日方程和保罗近似方法[1]来建立我院钢铁机器人—1操作手的动力方程。为了突出动力方程的物理意义,而根据操作手机构的动能和势能,来找出各关节力矩与各关节角加速度之间的简单关系式;为了实际应用,利用保罗近似方法来简化求导计算过程。     

一种无标定视觉伺服系统的快速跟踪策略

为了提高机械臂跟踪动态目标的跟踪效率,本文提出了一种无标定视觉伺服系统的快速跟踪策略.一方面,该策略通过预测机械臂关节角的方法,使得控制器计算行为与机械臂运动行为同时进行;另一方面,该策略使用最新的图像信息计算关节角,提高了系统的实时性.在仿真实验和实物实验中,构建了应用不同跟踪策略的两个无标定视觉伺服系统以跟踪动态目标.最后,通过对比两系统的跟踪时间和跟踪路径,验证了新跟踪策略的快速性、实时性和抗干扰性.