机器人运动学分析实验教学方案研究

为在本科阶段开展机器人运动学分析研究,提出了运用机器人运动学基本知识,引入齐次坐标变换,推导出坐标变换方程;利用D-H参数法,进行机器人的位姿分析;介绍机器人正向和逆向运动学基础知识。制定了机器人运动学分析实验教学方案,经相关专业学生实践发现,该实验方案可行,能达到预期实验目的,学生能独立进行机器人运动学分析研究。     

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性，利用向量代数方法，对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析；根据有限元形函数理论，建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法；在几何运动学分析的基础上，基于力矩平衡原理，分别进行正向与逆向动力学分析；利用线性变换原理并结合传递矩阵法，建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型，并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型，进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明，所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。     

脊柱型四足机器人粗糙可变地形对角小跑运动控制

为了实现脊柱型四足机器人在粗糙可变地形上的对角小跑运动,在运动学分析的基础上提出了基于中枢模式发生器的控制方法,包括步态规划、地面倾角估计、姿态控制、碰撞反射、踏空反射和侧向步反射6个模块.步态规划生成控制机器人运动的腿部和脊柱关节信号;地面倾角估计估计地形倾角,并根据倾角调节规划的足端轨迹;姿态控制控制机体和地面保持平行并控制机器人的航向角;碰撞反射控制摆动腿在碰到障碍物时可以快速越过并恢复到规划的运动轨迹;踏空反射控制支撑腿在遇到下凹地形时可以快速撑地并恢复到规划的运动轨迹;侧向步反射抵消外力的影响,防止机器人侧向倾覆.通过控制机器人在不同地形运动可以分步调节并确定各模块的控制参数.仿真结果显示,利用提出的控制方法脊柱型四足机器人可以顺利通过包含外力干扰、台阶、斜坡和楼梯的结构化地形,以及由不同角度随机排列直角三角体模拟的粗糙地形、由不同角度随机排列直角三角体和球形颗粒模拟的粗糙可变地形.     

驱动轮转向可控管道机器人的设计与运动分析

为了解决机器人在管道内姿态调节困难、避障能力较弱等问题,文章提出一种通过改变驱动轮转向来快速调节在管道内姿态的轮式管道机器人。该机器人可沿着管道作直线运动,也能绕管道中心轴线沿内壁作螺旋运动和回转运动,同时具有避障能力。通过建立机器人驱动轮转向过程的位姿模型,分析了弹簧以及管道内壁对机器人的正压力的变化过程;建立管道机器人驱动轮转向时的运动学模型,并进行了仿真分析。仿真结果表明了该管道机器人的有效性和实用性。     

4自由度上肢康复外骨骼机器人设计与分析

针对现如今上肢康复外骨骼机器人外部结构以及运动问题，利用Solidworks设计出一种4自由度可穿戴上肢康复机器人，基于人体上肢生物力学结构，使其关节和链接与人体的关节和链接相互对应，根据此基础设计出人体上肢运动学模型，使用D-H法分析了外骨骼机构的运动学关系，得到坐标转换矩阵，通过Matlab机器人工具箱进行运动学分析以及工作空间仿真模拟，进一步验证了运动学分析的可性。     

家用智能看护机器人高精度里程计估计算法

为了解决家用智能看护机器人车轮轮胎和地面作用力与电机输出力矩不平衡,易导致看护机器人产生滑动、里程计估计精度低的问题,引入牵引系数描述机器人滑动情况,推导含牵引系数的看护机器人运动学模型,以增量式光电编码器和惯性测量单元2种传感器为输入,将含牵引系数的运动学模型应用于基于扩展卡尔曼滤波算法的看护机器人里程计估计算法,搭建看护机器人实验系统完成算法验证。结果表明：在家用瓷砖地面,看护机器人分别以0.1,0.2,0.4 m/s的速度移动时,与传统里程计估计算法相比,所提出的机器人里程计估计算法的误差降低了40%左右。将含牵引系数的运动学模型应用于机器人里程计估计算法,可有效降低看护机器人的里程计估计误差,为提高看护机器人在室内地面的自主导航精度提供了一定的参考。     

基于图像矩和矢量积法的六自由度机械臂视觉伺服控制

针对眼在手上的六自由度机械臂系统,提出一种基于图像的视觉伺服控制.通过图像矩和矢量积法,建立机器人正向、逆向运动学模型,引入雅可比矩阵解决机器人逆运动学解析问题.建立了图像矩特征变化量和笛卡尔空间的关节角速度之间的映射关系即复合雅可比矩阵,由矩特征变化量得到伺服过程中六自由度机器人各关节角速度.保证在图像逼近期望图像时,机械臂末端到达期望位置,并且此时关节角速度将收敛到零.仿真结果表明,计算复合雅可比矩阵的方法可控制机械臂渐近稳定到期望位置.     

拟人机器人的建模

为解决机构复杂的拟人机器人运动学和动力学问题,提出了基于传统机理结合神经网络的建模方法．首先,从几何构造分析出拟人机器人各部分运动规律．其次,采用Lagrange—Euler方法结合对各部分交互作用力的定义得到动力学模型,交互力用神经网络来实现．最后,将此模型对应于实际的机器人参数,通过仿真证明了建模的有效性．结果表明此方法实用、有效．     

王轮铰接式月球机器人的全局路径规划

为了满足五轮铰接式月球机器人（FWALR）的避障及在月面上作业的要求，针对FWALR的结构特点、月球上凹凸不平的三维地形和机器人车轮与地面的相互作用，提出了基于虚拟传感器的双向全局路径规划方法和降维法。用此方法对FWALR进行了全局路径规划及仿真试验，证实了这种全局路径规划方法的可行性。     

6-PTS并联机器人机构逆向运动学分析与仿真

目的提出建立并联机器人构件之间运动学关系的算法。方法将6-PTS并联机器人机构的复合关节等效地处理成单自由度关节,利用D-H(Denavic-Hartenberg)方法定义每个连杆的局部坐标系和运动学参数,根据运动等同性条件建立机构约束方程,利用逆向齐次变换的方法求解。结果与结论依次求解出全部关节变量和每个连杆的位置表示,在此基础上,应用影响系数理论,建立了动平台与每个连杆之间的速度和加速度的传递关系,为该机构的动力学建模及控制等问题提供了基础。     

平面关节型机械手的运动学求解与仿真研究

根据平面关节型机械手的结构特征,运用杆件坐标系建立平面关节型机械手的运动学模型;通过建立A矩阵和矩阵变换实现机械手的位置、速度正运动学和逆运动学求解;在正运动学和逆运动学的数学模型基础上,选择MATLAB机器人工具箱为软件平台,建立平面关节型机械手模型并进行仿真,获得关节扭矩和角速度曲线,为伺服电机的选择、控制系统的设计和研发提供参考和决策依据。     

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...     

采用Matlab的六自由度机器人三维运动学仿真

对SA1400型六自由度工业机器人进行三维的运动学建模与仿真,建立机器人的正逆运动学方程,并得到正逆解.为验证方程及所求解的正确性,首先,使用Solidworks建立机器人各个部件三维模型;然后,用Matlab将所求得的正逆解编写为程序,导入机器人各部件,利用Matlab的三维绘图功能,以显示机器人的三维模型,并对机器人按轨迹运动的过程进行动态仿真,记录运动过程中机器人各关节角度值的变化,提示求解得到的不合理角度值和奇异点.结果表明:仿真过程较真实地模拟了实际机器人的运动情况,仿真结果达到预期目标,证明根     

旋转对称型四足机器人站立-翻滚变形规划

设计了一种可实现翻滚的四足机器人,不仅可以采用步行方式通过崎岖地形,而且可以自主变形成为滚动体,从而采用翻滚模式通过平坦地形.机器人四肢由弓形杆件组成,机体采用球冠外形,根据旋转对称原则设计肢体的几何参数和质心分布.由站立模式向翻滚模式变形过程中,将机器人简化为平面连杆机构,建立了变形过程中机器人质心运动学模型.提出势能变化最小的变形策略,采用惩罚函数法,优化变形终止时刻机器人的位形.针对变形运动学方程的非线性特性,采用最小二乘法进行关节轨迹规划.结果表明机器人质心运动轨迹满足变形策略.     

基于改进遗传算法的FAST促动器油缸装配机器人运动学

促动器作为500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)主动反射面变形的驱动装置,共计2225台,是世界罕见的野外台站大规模应用的设备群.针对促动器油缸组件的实际装配需求,采用D-H法建立油缸装配机器人的关节空间;采用解析法求出装配机器人逆运动学的部分解析解;采用基于自适应多种群的遗传算法通过建立多目标函数得到了其余数值解.结果证明,给出的逆运动学模型正确;相比单种群、定算子概率、定迭代次数的传统遗传算法,给出的改进自适应多种群遗传算法稳定性好、收敛快、求解精度高.研究结果为FAST液压促动器油缸装配机器人末端执行器的运动轨迹规划打下坚实基础,也为相似机器人的运动学研究提供思路.     

基于Matlab的七自由度机械手逆运动学分析及仿真

首先使用Denavit-Hartenberg法对机械手进行建摸并对其运动学数值进行计算。然后用Robotics Toolbox机器人工具箱编写该机械手的逆运动学程序。通过仿真,得到了各个关节时间与运动的关系图和运动轨迹图,实现了预定目标,验证了设计参数的正确性和可行性。     

一种大型球冠蜂窝灌注机器人结构设计与分析

针对航天器中大型球冠蜂窝防热层结构自动灌注问题,设计了一种3自由度混联灌注机器人,并建立灌注机器人的机构模型.该混联机器人结构紧凑、驱动简单、占地面积小,末端灌注装置始终垂直于球冠面移动,有利于蜂窝结构的灌注;采用多机器人操作模式,提高了灌注效率.通过建立运动学约束方程,分析了机构的运动学反解,同时建立了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,利用一种高效的数值正解算法分析了运动学正解,并通过对位置正解的分析得出灌注机器人的整个工作空间,并基于速度雅可比矩阵对机构的灵巧性和奇异性进行分析.结果表明灌注机器人能够实现对蜂窝结构的精确定位,且工作空间能够达到整个球冠面,满足蜂窝防热层结构的灌注要求.     

新型水下自重构机器人水下机电对接技术

研究了一种应用于水下自重构机器人的新型水下湿式机电对接技术.采用多卡爪机械锁紧机构和充油密封方式,实现了水下可靠的机械与电气连接;利用机器人逆运动学方法实现关节的协调控制,进行对接过程末端模块的轨迹规划;利用对光电引导传感器组信号的优化来辅助水下对接;成功研制了该水下连接装置和基于该装置的水下自重构机器人样机.通过在样机上的实际应用,验证了该技术的有效性.     

搬运助力外骨骼机器人运动学建模与仿真分析

为辅助工作人员高效轻便地完成搬运工作,设计一款结构合理与运动灵活的搬运助力外骨骼机器人。利用D-H参数法分别建立了外骨骼机器人下肢和上肢的运动学模型,对其进行正逆运动学求解。利用Pro/E软件建立搬运助力外骨骼的三维实体装配模型,并将其导入ADAMS中构建虚拟样机模型进行运动学仿真。仿真结果表明,下肢外骨骼能够满足人体运动,符合人体行走特征,上肢外骨骼符合人体搬运托举物体的特征。