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。     

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应分解运动控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的逆运动学问题.结合系统动量守恒关系进行的系统运动学分析表明,可以将空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的增广广义Jacob i矩阵表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,设计了系统部分参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法.由于充分利用了空间机械臂系统动量守恒的动力学特性,本文提出的方法具有不需要测量、反馈载体基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真证实了该方法的有效性.     

基于Kinect的冗余机械臂直线推移操作控制

研究了采用机械臂推移操作来解决不易抓取目标物的位置、姿态的改变问题.讨论了冗余机械臂系统的运动学建模和基于工作空间的改进RRT算法,给出一种基于Kinect的冗余机械臂直线推移操作控制模式.当Kinect检测到目标物处于危险位置时,机械臂系统首先会依据目标物的具体位置应用基于工作空间的改进RRT算法使机械臂按照指定的轨迹、位姿移动到目标位置;然后在平面二自由度的操作空间中,采用直线推移操作将目标物推移到指定安全位置.最后应用七自由度冗余机械臂系统验证了所提出的基于Kinect的冗余机械臂推移操作控制方法的有效性.     

欠驱动单机械臂的运动学研究

本文以平面内转动关节连接的单机械臂为研究对象,针对其运动学以及单臂的控制原理进行研究.首先利用机器人数学基础,推导出单臂机器人的运动学递推方程,讨论了其正运动学变化矩阵以及求解雅克比矩阵.然后,以单臂3R欠驱动机械臂为研究对象,对其位置控制进行研究,提出了一种分阶段控制欠驱动机械臂的新方法.控制目的为实现操作臂末端点到达目标位置,由此实现了平面内3自由度欠驱动机械臂的位置控制.     

基于RBF神经网络的弧焊机器人轨迹跟踪控制方法

针对目前弧焊机器人的控制算法大多是基于关节空间的算法,而这种算法无法实现对机械臂末端位置的直接控制的问题,提出了基于笛卡尔空间的轨迹跟踪控制算法.首先运用RBF(radical basis function)神经网络技术对实际机械臂数学模型的建模误差和参数不确定性进行补偿,接着定义Lyapunov函数并运用HJI(Hamilton-Jacobi inequality)定理设计基于笛卡尔空间的机器人鲁棒控制器.在此基础上以二自由度机械臂为被控对象进行仿真研究,仿真结果表明,基于笛卡尔空间算法的轨迹跟踪控制算法误差小于基于关节空间的控制算法,在基于笛卡尔空间的控制算法的仿真中末端轨迹跟踪误差小于0.08 mm,神经网络能够有效地在线学习机器人的建模误差和参数不确定性.     

六自由度机械臂的基于Hermite曲线的空间位置轨迹插补技术

采用标准的D-H建模方法建立机械臂的运动学模型,对机械臂的正反运动学进行分析。运用空间矢量合成设计轨迹插补算法,空间位置插补采用Hermite空间位置插补的方法,编制Matlab处理程序。完成六自由度机械臂的空间轨迹插补的仿真,证明该理论的可行性。     

基于MATLAB的五轴坡口切割机器人运动学分析与仿真

设计了一种新型的基于机器视觉的五轴坡口切割机器人,用于满足加工平面钢材的坡口切割作业.首先,建立了五轴坡口切割机器人的SOLIWWORKS模型,验证机器人机械本体的设计是否可以满足工作要求;其次,根据SOLIDWORKS模型建立机器人的DH参数表和DH坐标简图;然后,通过机器人的齐次变换对机器人进行正运动学和逆运动学分析,从数值角度对机器人的结构合理性进行分析;最后,利用MATLAB软件对机器人进行运动学建模与仿真.用MATLAB对机器人进行运动学仿真,主要分为对机器人进行静态模型仿真,机器人的末端操作器运动空间仿真和不同路径轨迹规划下的机器人末端操作器运动仿真.通过仿真模型证明了机器人机械结构设计的可行性,为机器人控制系统和控制算法的设计提供理论支持.     

串联机器人运动学建模与轨迹规划研究

以IRS3003机器人为研究对象对六自由度串联机器人的运动学建模及轨迹规划方法进行研究,采用D H建模方法,结合Matlab Robotics机器人工具箱建立IRS3003机器人运动模型,对机器人操作空间进行运动学分析.采用五次多项式插值方法,基于PPO路径规划码垛轨迹,分别实现机器人在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划与...     

基于混合样条曲线的换刀机器人换刀轨迹规划研究

为研究换刀机器人能沿特定路线平稳运动的问题,对机器人模型进行运动学分析和轨迹规划.利用旋量理论推导出机器人的运动学模型,结合蒙特卡洛法仿真得到了机器人末端工作空间的分布情况. 提出一种多节点多样条曲线运动的轨迹规划方法,以关节位移、角速度和角加速度为评价指标,分别采用3-3-3,5-5-5和4-5-5样条曲线进行了轨迹规划.样机平台试验表明,4-5-5混合多项式可以得到较平稳的加速度变化曲线,有效解决了加速度发生阶跃和突变过大的现象.以上研究为机械臂复杂换刀路径的轨迹规划提供了基础.     

移动机械臂的协调运动方案设计及验证

移动机械臂是由一个移动平台和一个固定在其上面的机械臂组成。为了能实现对移动机械臂的协调控制,移动平台和机械臂不得不同时完成任务。通过对移动机械臂的运动学建模分析,提出了一个基于最小速度范数的协调运动方案。该方案不仅可以实现对移动平台的运动控制,而且可以对机械臂同时进行协调控制。此外,协调运动方案可以等效的转换为一个标准二次规划问题,进而可以开发出一个有效的数值算法去求解。最后,移动机械臂去执行一个圆形路径,对应的仿真结果验证了协调运动方案的有效性。     

螺旋桨清洗机器人超灵巧机械臂设计

针对轮船螺旋桨清洗时因空间结构曲面复杂而难清理的问题,设计一种搭载于水下吸附式机器人载体上的射流超灵巧机械臂(hyper-dexterous manipulator,HDM)清洗装置.结合无骨架类生物肌肉高自由度特点构建超灵巧机械臂结构,采用虎克铰接的连接方式替换相邻关节连接处的柔性构件,兼顾了高压水射流承载压力高的特点.运用几何分析法对单端机械臂进行正逆运动学建模,基于多关节连杆变换通式推导出基于等圆弧假设下的机械臂模型,进而得出其多关节驱动空间与操作空间的映射关系.仿真实验和物理实验对比结果表明,所设计的机械臂能够达到期望的操作空间位姿,并能在加载实验下保证一定的鲁棒性.     

可移动多维振动时效机器人设计与运动学分析

针对现有振动时效技术的不足,为解决多维激振作业的需求,设计了一种在3-UPU并联结构支架基础上串联3条机械臂的混联式多维振动时效机器人,拓展了末端执行器的自由度及工作空间。运用ADAMS对并联支架进行运动学分析;基于D-H参数(Denavit-Hartenberg parameters)对机械臂进行建模,并对串联机械臂进行正运动学求解,运用MATLAB对机器人机械臂Ⅱ的工作空间进行求解,解出激振器工作空间的范围。验证了机械臂末端执行器工作区间的可行性。多维振动时效机器人机械臂拥有良好的工作性能,提高了振动时效的工作效率,机械臂间相互协同满足多维振动时效的作业要求。     

基于MATLAB Robotics工具箱的SCARA机器人轨迹规划与仿真

为研究SCARA机器人的轨迹规划,在MATLAB环境下,对该机器人运动学参数进行了设计,利用Robotics toolbox工具箱编制了简单的程序语句,建立该机器人运动学模型,讨论了标准D-H参数和改进D-H参数建模方法的区别,并对机器人的轨迹规划进行了仿真.通过仿真,直观地显示了机器人关节的运动,得到了连续平滑的机器人关节角度轨迹曲线.仿真实验表明,所设计的运动学参数是正确的,从而达到了预定的目标.该工具箱可以对机器人进行图形仿真,分析真实机器人控制时的数据结果,对机器人的研究开发具有较高的经济实用价值.     

基于最优激励轨迹的RRR机械臂动力学参数辨识

机器人动力学参数的精确辨识是对机器人进行精确控制的前提,参数辨识的精度与所采用的标定轨迹直接相关.以RRR机械臂为研究对象,建立该机械臂的动力学模型.在动力学参数辨识时,选择有穷傅里叶级数做为最优激励轨迹的表达式,通过最小化退化矩阵的条件数来获得最优激励轨迹中的参数,同时把各关节位置、速度和加速度的物理约束与激励轨迹结合起来,使获得的最优激励轨迹在物理意义上是可行的.通过在激励轨迹中指定频率范围来避免激励机器人的柔性特性,利用最小二乘法来辨识动力学参数.最后仿真验证了该辨识方法的有效性.     

焊接视觉跟踪机器人数学建模和工作空间分析

摘要： 针对大构件相贯线型空间焊缝的视觉跟踪方法,设计并制造了8自由度焊接视觉跟踪机器人.描述了一种空间机器人建模方法,主要思路为将移动坐标系从绝对坐标系原点,顺着关节机构移动到机器人末端工作点,运用此法对机器人进行数学建模并仿真,得到机器人运动学正解,运用数值法对机器人进行工作空间分析,得到工作空间三维图和侧向剖面图.仿真结果证明数学建模方法的有效性,空间分析结果表明本机构工作空间无空洞,工作范围符合设计要求.最后用物理样机对空间曲线型焊缝进行运动跟踪实验验证.     

移动机器人的仿人双臂运动学研究

手臂的运动学算法是移动机器人手臂作业的一个关键问题,也是实现双臂协调作业的首要条件.基于此,针对一种特殊的仿人双臂机器人,在分析其运动关系的基础上,采用几何法和解析法相结合的算法对6自由度仿人双机械臂进行运动学分析,对手臂进行运动学正解和逆解,并建立移动机器人手臂和移动平台的位姿转换矩阵.数字仿真结果验证了运动学算法的...     

基于改进遗传算法的机器人时间最优轨迹规划

为实现6自由度机械臂在任意速度下运行时间最短,使用3-5-3样条函数对机械臂的轨迹进行规划,并利用改进的遗传算法对不同速度下的3-5-3多项式的插值时间进行优化。在遗传算法中应用自适应参数的调节和最优保存策略,防止种群陷入局部最优,加快收敛速度,提高算法性能。离线寻优得到机器人速度约束下最优三段插值时间,并在机器人控制平台上进行实时实验,由机械臂的位置、速度曲线验证了采用此改进算法可以在任意的速度范围内实现6自由度机械臂轨迹运行时间最优。     

基于对角步态下的液压4足机器人能耗研究

移动能耗是液压4足机器人的一项重要性能指标,因此,对不同步态参数下液压4足机器人的移动能耗分析研究具有重要意义. 文中对液压4足机器人进行运动学和动力学建模,利用运动学和动力学模型,根据机构的几何关系得到液压缸运动状态. 规划了摆线函数和三次曲线函数在对角步态下的足端轨迹,对比分析了两种足端轨迹的能量消耗,着重研究了不同步幅、步高、入地角度、周期大小、约束角度以及斜坡角度对移动能耗的影响. 研究结果表明,综合考虑系统的稳定性、冲击力以及速度要求,应选择相对较大的步幅、较大的周期以及较小的入地角度,在满足跨越障碍的情况下,应选择低步高,对整个周期能耗进行考虑,应选择约束入地角度.      

基于dSPACE的工业机器人运动控制系统仿真分析及实验

针对用ER20-1700机械臂实现运动控制,提出了一种有效的控制方法;首先对ER20-1700机器人的三维建模进行运动学分析建立DH参数表算出机器人的逆解,再把SolidWorks中的三维模型用插件导入Simulink中快速搭建机械控制模型,然后搭建并改良电机驱动物理模型,补全整个控制模型,实现机械臂Simscape正逆解仿真;把算好的逆解用编程的方式写入MATLAB中用robotics tool中进行仿真模拟,并将其与Simulink中的仿真结果进行对比;通过编写函数程序在MATLAB中实现机械臂走直线和画圆的轨迹规划;通过搭建实验平台,使用dSPACE作为控制器把之前的控制模型转化为代码导入其中以实现机械臂的快速控制,控制机器人做直线和画圆运动,记录轨迹规划和实际机械臂所走的数据导入MATLAB绘制成图;实验结果表明:走直线和走圆时,最大跟踪误差小于3 mm,控制方法可行有效。     

六自由度机械臂建模与MATLAB仿真

目的依据预设的机器人末端运动轨迹,研究机器人各关节的运行轨迹。方法利用仿真软件对机器人末端轨迹进行仿真实验。以六自由度机器人为研究对象,采用标准D-H参数法建立机器人各连杆坐标系及计算运动学方程,利用MATLAB/Robotic Toolbox工具箱建立机器人的运动学模型,在运动学模型的基础上对机器人工作空间以及轨迹规划进行仿真。仿真结果为连续平稳的末端轨迹曲线和关节角位移、角速度、角加速度的变化曲线。结果得到了连续平稳的末端轨迹曲线和关节角位移、角速度、角加速度的变化曲线等仿真结果,轨迹仿真结果表明机器人各关节运动平稳性较好。结论轨迹仿真可以避免试验中对机械臂所产生的损坏,为后续实验研究工作的开展提供支持。