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.     

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.      

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.     

4自由度串联式机械手轨迹运动学的分析

为了实现4自由度串联式机械手的轨迹控制,为实验室设计一种4自由度串联式机械手的结构,基于D-H坐标变换理论,建立了该机械手位置运动学模型,研究了该模型的正、逆解问题。通过计算机仿真,验证了该模型及其正解的正确性。以此为基础,分析了该4自由度串联式机械手的工作空间,并导出该模型逆解的解析式,为实现该机械手的轨迹的精确控制奠定了基础。     

一种4自由度高速并联机械手动态特性分析

以一种可实现SCARA运动的4自由度高速并联机械手(Cross-Ⅳ机械手)为研究对象,将运动学理论和虚拟仿真相融合,研究一种分析高速/高加速运动机构轨迹误差的系统性策略和方法.以运动学逆解模型为基础,获得Cross-Ⅳ机械手在给定运动轨迹和运动规律时的驱动关节位置数据曲线.利用三维CAD模型,通过有限元软件ANSYS和机械动力学软件ADAMS联合建模,创建Cross-Ⅳ机械手的刚柔混合模型.将驱动关节位置数据代入刚柔混合模型,仿真得到系统重力和惯性力引起的构件弹性形变导致的末端轨迹误差,并分析各向轨迹误差和综合误差随负载、运动规律和工作平面不同的变化规律,为机械手轨迹规划、运动规律优选和误差控制提供理论支撑和分析方法.     

基于入侵性杂草优化的机械手逆向运动学求解

为了有效提高机械手控制中逆向运动学求解的速度和准确度,提出一种基于极限学习机-入侵性杂草优化的机械手逆向运动学求解方法;建立工业六自由度机械手的正向运动学模型,并利用训练较快的极限学习机计算机械手关节角度向量,即输出机械手关节逆运动学初解;利用入侵性杂草优化算法对得到的初始逆解进行优化,取最小适应度时的杂草位置作为输出,以便得到最佳的逆向运动学求解。结果表明,相比于基于粒子群优化-反向传播神经网络的求解方法,所提出方法的机械手末端执行器的精度更高,平均计算时间仅为5.68 ms,实时性更好。     

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.     

SCARA机器人结构设计及轨迹规划算法

文章基于模块化设计方法设计一种SCARA机器人,具有3个旋转自由度和1个移动自由度,可实现水平和垂直运动,其结构简单、体积小、质量轻、动作迅速、刚性好及定位精度高,可应用于生产和教学;基于机器人在关节空间和笛卡尔空间轨迹规划方法的不同,分别讨论了该SCARA机器人在关节空间中的点到点轨迹规划算法,和在笛卡尔空间中的一种连续直线轨迹规划插补算法,即基于运动学逆解的脉冲增量法.     

一种2自由度高速并联机械手的轨迹规划方法

以一种平面2自由度高速并联机械手为研究对象,研究其高速搬运作业的操作空间和关节空间轨迹规划策略.通过关键路径点设置,定义针对点到点的典型搬运作业轨迹.针对操作空间,以运动学逆解模型为基础,利用3-4-5次多项式运动规律,建立关节空间运动特征(角度、速度和加速度)关于操作空间运动特征的函数映射.针对关节空间,以运动学正解模型为基础,利用5次非均匀B样条运动规律,建立操作空间运动特征关于关节空间运动特征的函数映射.给定相同的关键路径点和运动时间,以一组参数为例,对比分析在两种不同轨迹规划方法下末端参考点的运动特征,并进行对比试验.结果表明:基于5次非均匀B样条运动规律的关节空间轨迹规划在降低系统功耗和抑制机构残余振动方面具有显著优势.     

一种求解冗余机械臂逆运动学的自适应动态差分进化算法

针对冗余机械臂逆运动学难以直接求解且具有多解的问题,提出一种基于改进差分进化算法的逆运动学求解方法.以KUKA LBR iiwa七自由度机械臂为研究对象,验证该方法的有效性.针对基本差分进化算法易陷入局部搜索问题,引入自适应变异操作和随机变化交叉操作,使算法可根据迭代进程调整搜索强度.基于Denavit-Hartenberg方法建立七自由度机械臂运动学模型,改进逆运动学算法适应度函数与边界处理方法,最终求得最优逆运动学解.机械臂仿真实验以求解精度和稳定性为研究目标和评价指标,结果表明,在冗余机械臂逆运动学求解方面综合性能良好,具有较强的多工况拓展度和工程实用性.     

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.      

基于任务的两协调机械手的关节轨迹优化

介绍了机器人协调控制和冗余度机器人的研究的一般方法,从工作椭球角度研究了两个协调机械手的关节轨迹优化．从任务出发,根据运动和力的需要,定出期望的可操作性椭球;把期望的椭球与两机械手实际可操作性椭球的相交体积作为性能指标,用零空间控制进行优化,利用冗余产生出满足终端运动要求的、优化的关节轨迹．为了对平面上两个３连杆机械手进行分析,为了比较,用零空间控制和伪逆控制分别进行关节轨迹规划．结果表明：用零空间控制时,两机械手实际可操作性椭球与期望的椭球相交体积变大、性能指标提高;用伪逆控制时,两机械手实际可操作性不能逼近期望的椭球．文中通过椭球把运动和力的控制结合起来,仿真实例证明了文中控制算法的有效性．     

基于solidworks和VC 的抛光机器手运动仿真研究

设计了一种自由曲面抛光的关节型机器手,对其进行了运动学建模.利用几何法简化求逆解过程,并给出了显式的解析解.在Visual studio 2003中应用VC++和MFC编程,计算出空间轨迹的各关节角度.在Adams 2010中完成了机器手的三维实体建模,并运用样条插值的轨迹算法,完成了机器手实现三维空间轨迹的运动学仿真过程,验证了几何法求解和轨迹规划的正确性,以及方案的可行性.     

基于工作空间的机械手滑动控制

本文考察了机械手工作空间的滑动控制,提出了一种新的控制方法,此法不需求工作空间向关节空间的逆变换,而且可以用于冗余机械手及奇异位置的控制。等价控制输入由一简单的方程求解,便于实现计算机适时控制,通过对一个自由度机械手的仿真研究,证实了此法的可行法。     

七自由度相贯焊缝检测机器人运动学逆解

针对采用D—H法求解机械手臂逆运动学存在的不足，提出几何法解决七自由度插接管焊缝检测机器人关节变量的逆解问题．该方法与矩阵变换法相比能很大程度上减少运动方程逆解的计算量，对于提高关节的控制速度极为有利．结合实际扫查的空间相贯曲线，对各关节的运动位移进行了计算仿真．结果表明，各关节的运动学逆解唯一，计算简单，运算量小，特别是对于具有多冗余度的机器人，此法能够避免奇异解的讨论，提高计算效率．     

细长火箭内壁打磨机器人无冗余干涉规避与优化

针对应用于自由操作空间的机器人冗余度碰撞规避方法,无法解决细长型固体火箭发动机壳体内壁打磨机器人各关节间、关节与内壁间的干涉规避,提出了一种在受限操作空间中机器人无冗余自由度的干涉规避方法.在不增加机器人自由度的前提下,通过数学模型判别在壳体内壁打磨轨迹上各关节间、关节与壳体内壁间是否发生干涉,动态地对末端执行器的打磨接触面进行调整、改变各关节位置与姿态,以实现干涉规避;并且以关节速度变化的平稳性为性能指标、干涉规避为约束条件,进行运动学优化与仿真试验.仿真结果表明,打磨机器人满足打磨轨迹、无干涉碰撞,且各关节的速度变化平稳均匀.     

多关节跳跃机器人的起跳机理与运动规划分析

在给定离地任务要求的情况下,针对多关节冗余自由度跳跃机器人起跳机理及运动规划与优化问题进行了研究.以速度方向可操作度为性能指标,将期望的离地质心速度和加速度映射到关节空间,作为关节空间规划的边界条件.采用Fourier基函数参数化关节空间轨迹,从正运动学方程出发,结合驱动约束条件,利用粒子群优化算法搜索和寻求使能量利用率最大的参数值,实现起跳性能的优化.利用计算机仿真证实了此种方法的可行性.此外还建立了滑模控制器,实现起跳阶段轨迹跟踪控制仿真分析,为具有冗余自由度的多关节跳跃机器人的运动规划提供了一种有效的方法.     

绿篱苗木修剪机械手运动学分析及仿真

针对人工对绿篱进行修剪造型时存在的效率低、劳动强度大的缺点,提出了一种能够对绿篱苗木进行几何造型的六自由度绿篱苗木修剪机械手,并通过D-H矩阵理论对修剪机械手的运动学正、逆解进行求解。此外,基于Pro/E与ADAMS的联合仿真技术对机械手进行三维建模及圆球造型的仿真。仿真结果表明刀具运动轨迹与预定的理论轨迹重合,证实了运动学方程的正确性,也说明了机械手进行几何造型修剪的可行性。仿真过程中腰关节、肩关节、肘关节、小臂转动关节、腕部回转关节及腕关节的最大角加速度分别为3.8°/s2、7.2°/s2、2.3°/s2、6.7°/s2、10.4°/s2及3.7°/s2,数值较小,说明机械手运行平稳。通过对修剪机械手建立运动学方程以及仿真分析,可以得到其运动规律及动力参数,为实际样机的研制奠定理论基础。     

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     

平面2自由度冗余并联机构的运动学分析

该文详细描述了机构运动学分析中的位置正解和位置逆解之间的关系,分析了解析法和代数法求解的优缺点。利用代数解析法原理分别求出一种平面2自由度冗余并联机构的运动学逆解和运动学正解,通过解的对比可知,逆解不唯一,共有8组,正解也不唯一,共有2组。利用位置方程求出速度雅克比矩阵的表达形式。利用MATLAB软件,对该机构的运动轨迹包括沿直线行走和沿圆弧行走的轨迹进行运动学仿真,求解出速度、加速度曲线。