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。     

基于扩张状态观测器的机械臂分散自适应模糊控制

针对机械臂控制中各子系统间交联项难于处理的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)和模糊策略的分散控制方法.将机械臂系统考虑为各关节交联子系统的集合,采用扩张状态观测器去实时估计机械臂各关节间的状态、耦合交联项及非线性项,利用模糊系统去逼近机械臂动力学模型中的建模不确定项,从而设计分散自适应模糊控制器以实现机械臂的轨迹跟踪控制,给出了控制器中参数的自适应更新律,并对该控制器进行了Lya-punov稳定性分析.最后将该方法应用于一个4自由度机械臂的轨迹跟踪控制中,仿真结果表明了该方法对处理耦合交联项及在各关节轨迹跟踪控制中的有效性.     

一种仿人机械臂的动力学建模和固有频率研究

气动肌肉驱动器因能很好地解决机械臂柔顺性的问题,其在仿人机械臂上的应用已经成为了研究热点。但目前针对机械臂的建模多忽略驱动器质量,或考虑为集中分布情况,同时一般考虑关节铰为线弹性扭簧。这些假设不太符合气动肌肉驱动器的实际力学性能。因此通过D-H法建立了一种仿人机械臂结构的运动学模型,核算了其奇异位形。通过能量法建立了驱动器质量分散分布下的仿人机械臂的动力学模型;通过假设模态法进行离散化,得到标准特征式方程。基于Wolfram Mathematica 9进行编程,获得了该仿人机械臂在两个关键的奇异位形之间运动时,其固有频率随关节角度和关节铰刚度变化的形式。     

超冗余度机械臂的路径安全性优化研究

提出了一个对超冗余度机械臂路径规划进行安全性优化的新方法．采用一般随机路标法得到一个表示机械臂位形空间结构信息的路标，计算机械臂在各个位形下与障碍物之间的最小距离，并把此信息加到随机路标法所求的路标上，从而把路标转化为网格结构．基于此网络，给出了一个对路径进行安全性优化的数学模型，利用其对超冗余度机械臂进行路径规划．仿真结果表明，相对于一般随机路标法所建模型规划的路径安全性大大提高．     

人机协作下机械臂动态避障与避奇异研究

针对人和机械臂在同一空间下协同工作时,机械臂的运动可能对人造成伤害这一问题,提出一种基于机械臂关节速度空间的动态避障与避奇异算法.该算法对机械臂的奇异性进行量化分析,采用最小阻尼二乘法实现机械臂的避奇异操作.同时融合人工势场的思想,借助机械臂的非完整雅可比矩阵,实现机械臂对人及自身的实时动态避障.最后在仿真和实际机械臂上进行实验,实验结果表明:该算法可以实时地对环境中的动态行人进行主动避障同时避开机械臂的奇异点,保证人机协作过程中操作人员的安全.     

五自由度机械臂的建模与仿真

采用Adams和MATLAB联合仿真的方式,对一种桌面级五自由度机械臂进行三维建模、路径规划及运动学仿真。首先,使用Solidworks软件完成机械臂的三维模型的建立,并将该模型导入Adams软件,得到该系统的虚拟样机。其次,联合MATLAB和Adams软件实现了机械臂的路径规划仿真,获得机械臂的关节角度、关节速度和关节加速度等运动学特性曲线。在此基础上,进行机械臂的实验操作,并对二者进行比较。结果表明机械臂的结构合理,运动学特性稳定,仿真实验结果可靠性强,为该机械臂的运动控制及优化等奠定基础。     

对六自由度机械臂运动路径设计的探讨

本文讨论了关节式机器人的机械臂运动路径设计问题。考虑无障碍和有障碍两类不同运动情境,给出不同的算法。在无障碍运动中,通过讨论指尖到指定点和指尖沿指定曲线的不同运动情况,给出各自较为合适的模型使其达到便捷、有效的运动;在有障碍运动中,抛开了传统方法,提出一种新的实时运动规划方法,大大缩小了搜索空间,从而有效地提高了系统效率。最后,对连杆长度和最大旋转角等设计参数给出合理建议,以进一步提高机械臂的灵活性和适用范围。     

基于ROS的液压重载机械臂避障仿真

为实现液压重载机械臂的运动轨迹规划,采用SolidWorks建立了七自由度机械臂空间结构模型,通过ROS平台的URDF文件建立仿真模型.使用MoveIt实现运动规划,借助快速扩展随机树算法(RRT)进行机械臂的路径规划,得到机械臂各关节位移随时间变化的曲线.仿真结果表明机械臂在障碍物环境中实现了自动避障,该方法为在复杂障碍环境下进一步改进规划算法提供了直观便捷的方法.     

基于复杂曲面磨削用机器人的机械臂结构设计

针对曲面焊缝磨削加工工艺对机械臂要求,设计了一种多关节型磨削机械臂。确定了机械臂的关节构成及其实现形式,设计了磨削机械臂的机械结构,确定了结构尺寸。对机械臂主要受力关节进行了分析,并利用三维软件对机械臂进行了仿真,仿真结果表明机械臂结构合理,能满足复杂曲面磨削焊缝工作的要求。     

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.     

基于虚拟斥力的多机器人遥操作算法的研究

针对多机器人遥操作系统多机器人协作中易于发生碰撞的问题,提出基于虚拟斥力的方法实现实时避碰.在每个机器人的周围预先设定安全区域,当有障碍侵入安全区域时,机器人与障碍之间产生虚拟斥力,迫使机器人的轨迹发生调整远离障碍.基于弹簧、阻尼系统建立虚拟斥力模型,将虚拟斥力作为机器人的扰动力,根据障碍类型给出机器人的避障调整函数.利用Rx60、Rx90两个机器人进行遥操作协作实验,实验结果表明基于虚拟斥力的实时避碰算法能够简单而高效地保证协作作业的安全性.     

基于Android的桥梁检测车安全监控系统的设计

为解决国内桥梁检测车全局监控设备以及碰撞警报设备缺乏的问题,设计并实现了基于Android平台的一套智能监控系统。该系统通过倾角传感器采集的数据,用3D模型实时
模拟机械臂的姿态,以达到全局监控的目的。同时可以根据实际情况构建虚拟障碍物,实现机械臂与障碍物碰撞的逼真模拟与警报。结果表明,该系统性能可靠、实用性强,不但解决了传统视频监控无法达到全局监控的问题,还对人工规避障碍物提供了可靠的参考。     

机械臂逆运动学避障最优求解算法

针对多自由度机械臂在障碍物环境下逆运动学求解存在多解性和碰撞问题,提出了一种将碰撞检测算法、最短行程方法与差分进化算法相结合的具有避障能力的机械臂逆运动学最优求解算法。首先,以六自由度机械臂为研究对象,对机械臂和障碍物进行建模,并建立求逆运动学解的目标函数,目标函数由末端执行器位姿误差函数、目标角度与初始角度之间的变化量函数、碰撞检测函数加权求和组成;其次,利用差分进化算法对目标函数进行最优求解,为了减小函数权重对求解速度和精度的影响,设计了一种自适应权重优化算法,使得求解关节角度在优化求解初期快速达到最短行程位姿角度附近,而在优化求解后期具有更高的求解精度,即可求得具有避障能力、行程最短且高精度的最优逆运动学解;最后,以UR5机械臂为例,通过MATLAB软件中的Robotics Toolbox工具箱对所提算法进行仿真验证,验证了所提算法的有效性。     

一个复杂有界环境下的改进极限环避障算法

本文研究了障碍不规则与带边界这两种非预知环境条件下的群体运动实时规划问题,提出了一种改进极限环群体避障算法.该算法在传统极限环的基础上引入局部与包络的概念来解决障碍不规则的问题,另一方面通过改进传统人工势场的斥力函数来刻画边界的排斥作用,以避免与边界碰撞.针对不规则障碍与带边界这两种典型场景,本文在障碍与边界非预知的条件下进行了仿真实验.仿真结果表明,与传统人工势场法相比,本算法不仅减少了碰撞数量,缩短了避障时间,还具有更好的适应性和有效性.     

基于加速度信息的移动机器人动态实时避碰

提出了一种移动机器人对动、静态障碍物实时动态避碰的新方法.相对坐标系中,采用包含相对加速度信息的避碰算法,通过动态实时地调整机器人加速度的大小和方向,使其避开障碍物.仿真实验证明了此方法的有效性.     

冗余度机器人的障碍物躲避

给定机械手的初始形态和终端所希望的轨迹以及在工作空间内的障碍物,本文研究冗余度机器人无碰撞运动的规划问题,提出了基于J函数障碍物躲避的算法.关节坐标空间的安全轨迹的计算可通过障碍物躲避的性能指标而得到.由于J函数的计算仅与一些极点有关,计算量小,便于实时控制.仿真结果证明了所提出的算法的有效性.     

紧急避撞路径规划及其跟踪驾驶员转向模型

针对紧急避撞工况,提出并设计了一种紧急避撞路径规划方法和路径跟踪反馈预瞄驾驶员模型。首先,提出了一种基于Sigmoid曲线与物理约束的避撞路径规划方法,并建立融合最优曲率预瞄与闭环反馈转向修正的驾驶员模型以对所规划路径实现快速和精确跟踪。之后,搭建了CarSim+Simulink离线联合仿真平台,对避撞路径规划和路径跟踪反馈预瞄驾驶员模型的有效性进行了验证。最后,基于自主改装的试验车辆,进行实车试验以验证所提出的路径规划方法及驾驶员模型的可行性与实时性。仿真及实车试验结果均表明,所规划的避撞路径和驾驶员模型可以控制车辆快速、安全地避让障碍物。     

虚拟仿真技术在装配机械手控制系统中的应用

结合虚拟现实技术与电气控制技术,针对装配生产线的特点和控制要求,开发了一套虚拟仿真系统,可用于系统监控、调试和人员培训.利用罗克韦尔软件编写电气控制程序,通过RSTestStand软件搭建机械手自动装配系统的3D虚拟仿真模型,并基于虚拟可编程控制器(PLC),实现了直线型、余弦-直线型速度曲线调速方案在虚拟仿真对象上的应用.虚拟仿真对象的动作视觉效果和监控曲线表明,控制系统工作良好,通过在机械手各动作的启停、加减速、匀速转换时引入余弦调速方案对速度控制进行优化,有效减小机械臂关节的震动和顿挫,取得了较好的动作流畅性.     

基于改进DWA的动态环境路径规划算法

摘 要 在涉及机器人自主运动和目标跟踪等场景中,动态障碍物的存在可能会对实时规划产生威胁。因此,生成一条安全路径以确保机器不会与动态障碍物发生碰撞显得至关重要。为此,提出一种改进的动态窗口法(dynamic window approach,DWA),其基于参考速度障碍物（velocity obstacle,VO)的思想,通过考虑障碍物的速度计算基于障碍物的危险区域,进行DWA节点选择排除不可行的路径,并且通过引入人工势场法作为评价函数选择最佳节点以避免与动态障碍物发生碰撞且能够快速到达期望目标点。结果表明：相对于传统的DWA算法,本文提出的DWA-VO算法在动态环境中相对于传统的DWA算法具有更高的成功率和更好的规划质量。     

基于障碍物可达区域预测的机器人实时避障算法

针对复杂环境下的机器人路径规划与自主避障问题,提出了基于动态障碍物可达区域预测的实时避障算法.对静态障碍物进行描述和建模,建立动态障碍物状态更新预测方程,实现对动态障碍物质心可达区域的预测.分别面向动态、静态障碍物提出基于可达区域预测的多步椭圆包络势场和基于新型Sigmoid函数的势场,修正目标的对数Lyapunov引力场,给出多类型障碍物空间下的机器人实时避障算法.数值仿真和实验结果表明,与传统方法相比实时避障算法可使机器人避障过程中的路径长度更短、安全性更高及最大行驶角变化幅值更小.