绳驱动仿生软体机械臂结构设计与弯曲特性仿真

提出了一种基于绳驱动的波纹状软体仿生机械臂,机械臂本体由软体硅胶制成,具有高灵活性、较好的环境适应性及人机交互安全性等特点.该机构通过利用柔顺机构学原理将软体机械臂设计为波纹状,既优化了机械臂受到绳驱动时的弯曲特性,又兼具圆柱型软体机械臂的承载性能.相比传统的刚性机械臂,软体机械臂没有任何刚性关节,因此引入了分段恒曲率假设对其定义,结合软体机械臂特点利用有限元分析软件进行仿真分析,验证了其在驱动绳不同长度变化量下的弯曲特性及受力情况.     

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。     

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.     

面向托卡马克第一壁检测的超冗余机械臂运动学分析

针对托卡马克第一壁大范围高精度检测的需要,设计了一种超冗余13-DOF宏微式机械臂.为解决超冗余机械臂运动学计算快速性与精确性之间的矛盾,提出了一种考虑机械臂作业环境结构的运动学算法.该算法利用宏机械臂平面多连杆的构型特点和圆弧形的运动轨迹有效降低了逆运动学计算的复杂性.利用摄动法解决了微机械臂处于奇异位置时,运动学逆解无法解析求取的问题,借助能量最优原则唯一确定存在多解或无穷多解时逆解的选取.最后通过仿真验证了该运动学计算方法的有效性.     

基于MATLAB的7自由度液压重载机械臂的工作空间分析

设计了一种新型的7自由度液压重载机械臂装置,该机械臂装置用于更换和安装大型磨机衬板,针对7自由度液压重载机械臂,首先在三维软件完成对机械臂的结构设计,利用D-H坐标法完成对机械臂的运动学建模,在MATLAB编制驱动函数完成运动学仿真,能够得出机械臂在空间中的运动轨迹并且能够验证运动学模型的正确性.在运动模型建立正确的基础上,借助软件利用蒙特卡洛法能够分析出机械臂末端执行机构的工作空间云图,得到执行机构的极限工作位姿,为机械臂在实际中的应用提供了理论依据.     

一种7-DOF机械臂的结构设计及其几何位置误差分析

基于双电机伺服驱动的关节设计制造了一种7-DOF协作机械臂,建立了该型机械臂末端执行器的几何误差模型,并且基于原始参数误差独立作用原理对参数误差进行分析与合成.基于数理统计大数定律,利用蒙特卡洛的方法对几何位置误差影响因素的灵敏度进行了数值仿真计算分析,找出对机械臂几何位置误差影响程度相对较大的参数误差.通过对机械臂末端执行器的几何位置误差计算分析,可知误差在工作空间内服从瑞利分布.经过实验测量,机械臂的重复定位误差不超过0.0591mm,并且绝对定位误差服从瑞利分布是显著性的,证明了双电机伺服驱动关节具有回差小、传动精度高的特点和误差分析的正确性,为机械臂的精度设计与应用提供理论依据.     

绳驱动拟人臂机器人的刚度分析和优化

分析了一种绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度,这种7自由度机械臂具有特殊的串并混联结构,机械臂的肩关节和腕关节均为绳驱动3自由度球关节,通过对其刚度表达式的推导,再结合串联机器人刚度分析方法,描述了机械臂整体笛卡尔刚度矩阵的求解过程.首先描述了绳驱动3自由度球关节的推导过程,用以求解肩关节和腕关节的刚度;然后计算单自由度肘关节的刚度;最后通过结合肩、肘和腕刚度得到的关节空间刚度矩阵,运用修正的一致保守变换得到绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度.基于以上的刚度分析,提出了一种刚度优化算法用于改善机器人在运动过程中的刚度,仿真分析验证了这种算法的有效性.     

新型救援工程机械末端执行器轨迹控制研究

针对救援工程机械在复杂环境下的控制问题,利用工程机械机器人化思想,文章提出了3种不同的控制方法,满足了在救援过程中不同的动作要求,确保了动作的稳定、准确与可靠;同时根据新型救援工程机械机械臂手末端能动机械装置的冗余性,结合其大尺寸结构与变负载工况特点,运用D-H法建立结构杆件模型及各关节坐标系,并通过解析函数式的运动学逆解方法,得到特定末端执行器关节空间的轨迹所需的各驱动关节角度;利用Matlab中的SimMechanics工具箱建立运动学仿真模型并进行仿真,最后进行实验,实验结果表明利用该仿真方法可以准确、有效地实现半自主式的末端控制。     

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。     

大型水轮机叶形现场检测机械臂运动学分析

针对混流式水轮机叶片复杂的空间型面及叶片间的狭窄间距,设计了结构新颖的5个自由度水轮机叶形现场检测机械臂,并介绍了其主要结构特点及工作原理;采用Denavit Hartenberg法建立了该多关节机械臂完整的运动学模型,并给出了在2种实际工作状态即θ=-θ3和θ2≠-θ3时的运动学逆问题解.研究结果表明:此新型结构能够满足水轮机叶片现场检测的特殊要求,并使得控制简单、操作方便.该运动学模型的逆解完备,利于动力学及相关控制的进一步研究.     

基于PSO-RBF神经网络的串联机械臂逆运动学分析

针对目前基于神经网络对串联机械臂求逆解方法中出现的精度不足和实时性较差的问题,使用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法对径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络进行结构优化,提出一种基于PSO-RBF神经网络的机械臂逆运动学算法。首先由正运动学模型获取神经网络训练和测试参数样本,经过欧拉角变换在神经网络输入端建立机械臂关节位姿映射关系,然后通过PSO算法对径向基核函数进行参数寻优并对测试样本求解分析,最后获取经逆运动学求解后机械臂的运动轨迹,验证了该算法的可靠性。仿真结果显示,由PSO-RBF神经网络逆运动学算法能够快速得出满足精度要求的关节角度,为进一步机械臂工业控制提供了理论支持。     

六自由度机械臂运动轨迹自动生成方法仿真与实现

运用运动捕捉系统,结合机器人运动学方法,提出一种六自由度机械臂运动轨迹自动生成方法.首先,在运动捕捉系统下得到人手臂末端的Marker标记点的位姿信息;然后,通过数据处理得到标记点的位姿矩阵,并将其作为机械臂末端执行器的位姿矩阵,进而通过数据流通道将该数据传入机器人运动学仿真系统,在仿真系统中运用代数解法求机器人运动学逆解,并进行运动学仿真.最后,将逆解求得的6个关节角度传入机械臂本体,实现机械臂末端执行器按照运动捕捉系统下手臂末端标记点的运动轨迹而运动.仿真实验表明:该方法具有可行性.     

六自由度机械臂运动学分析与仿真

为检验六自由度机械臂设计合理性,对其进行运动学建模及仿真。首先,依据Denevit-Hartenberg (DH)法建立机械臂的运动学模型。其次,对机械臂进行正向运动学理论分析。最后,利用MATLAB软件对机械臂正向运动学和末端执行器的可达空间进行了仿真分析。对机械臂进行正向运动学仿真分析后发现,仿真结果与理论计算值相差很小。对机械臂的可达空间进行仿真分析发现,机械臂的运动轨迹近乎球形,且在xoy、xoz和yoz平面投影上没发现明显空洞或空腔。仿真结果表明,六自由度机械臂的设计满足设计要求。     

基于Pro/E的平面连杆机构设计与运动仿真

在各类机械的传动结构中,连杆机构有着广泛的应用。根据连杆机构图解法、解析法的设计原理,提出了在Pro/E中实现连杆尺寸参数设计及实体造型的方法,并利用Pro/E的运动学分析模块Mechanism对连杆机构进行了运动学分析和仿真,这对连杆机构的优化设计将提供较大的帮助。     

类矩形隧道单机械臂管片拼装机运动学逆解

针对类矩形隧道盾构施工中管片拼装机工作空间紧凑、移送距离远、管片姿态调整灵活的要求,提出一种新型单机械臂管片拼装机.介绍了该拼装机的组成与工作原理,重点推导了该型拼装机跟踪特定轨迹的运动学逆解计算方法,并通过数值计算结果与SolidWorks仿真结果间的对比验证了该型拼装机运动学逆解计算公式的正确性.研究表明:新型单机械臂管片拼装机在回转平面内的运动学逆解具有解析解,其计算除常规代数运算外还涉及三角函数运算.相关结论为新型单机械臂管片拼装机运动控制器设计提供了运动学基础.     

基于随机森林算法的气动软体机械臂视觉伺服

软体机械臂具有灵活性和柔顺性的特点，可在实现对位姿跟踪的同时确保与环境交互的安全性，近年成为研究的热点。但由于软体机械臂材料变形是非线性的，其运动学建模的参数众多且难以获得准确值，使软体机械臂实现运动学控制较为困难。为了补偿软体机械臂的不确定性，在现在视觉伺服的基础上，提出一种基于历史数据驱动的手眼视觉伺服新方法。该方法结合基于随机森林算法的控制器来完成机械臂控制任务，通过对历史数据聚类，基于随机森林回归模型建立软体机械臂驱动状态和末端图像特征的逆映射，无须求解机械臂和摄像机的任何参数，即可快速获取系统输入变量。实验结果表明，所提出的方法可以较好地实现预期控制目标。     

机械臂运动学和动力学的李群表述

D-H参数法已经被广泛应用到机械手运动建模及分析中,但其所描述的运动都是围绕着x轴和z轴,而不能反映出y轴的运动。为了解决这个问题,本文采用旋量理论的方法,用旋量来表述出将机械臂的位置和姿态,并进一步分析机械臂的运动学和动力学。相较于传统的D-H法计算运动学正解,旋量理论是从整体上对机械臂的运动进行表述,且不需要中间参考系,几何意义清晰。利用Paden-Kahan子问题分析肘机械臂的逆运动学问题,计算出其运动学逆解,并利用旋量理论和李群-李代数,通过Newton-Euler法建立了高效的递归动力学模型。最后对于用旋量理论求出的肘机械臂运动学逆解进行仿真验证,并计算出其工作空间,结果表明用旋量理论的方法更加简洁、精确、高效。     

基于ADAMS的双臂作业机器人的运动学分析及仿真

对双臂作业机器人的协调控制问题进行分析,采用D-H法在直角坐标系下建立了机器人双臂联合运动学模型。通过在机械臂的每个连杆机构上建立坐标系,得到主机械臂的D-H参数,解出主机械臂运动学正解。在已知约束条件下,通过在末端执行器上添加点驱动,规划单臂运动路径。借助ADAMS软件运动仿真,在后处理模块中得到主机械臂各个关节角度随时间变化的曲线图,曲线过渡平滑,角度变化在预先设定的转角范围内,满足操作任务要求。     

面向变电站智能消防机械臂的高精度运动学模型研究

为了解决变电站智能消防前端执行机构灵活性不足、定位精确度低等问题,本文建立了面向变电站智能消防机械臂高精度运动学模型.首先将机械臂通过主体结构简化,转换为刚体连杆模型,并基于Denavit-Hartenberg法的齐次变换矩阵来描述机械臂相邻两连杆的空间关系与运动轨迹.接着在此基础上,提出一种利用机械臂连杆模型几何约束...     

折叠双臂式机器人的运动学与工作空间分析

针对薄煤层勘探与灾后搜救机器人的需求,结合其特殊的工作环境,提出一种新型井下移动机器人;该机器人两侧装载了七自由度冗余机械臂,兼具狭小空间通过能力强与工作范围大两个特点。使用SOLIDWORKS软件建立了机器人的整体三维模型;通过D-H(Denavit-Hartenberg)法,建立了机械臂的运动学模型;并求出了其运动学正解。采用二次计算法,求出了机械臂的运动学逆解;使用基于蒙特卡洛法的仿真方法,进行了机器人的工作空间分析,仿真结果表明,该折叠双臂式井下勘探搜救机器人在双臂折叠状态下体积较小,狭小空间通过能力强;在双臂伸展状态下具有相当大的整体工作范围与协调工作空间,拥有较强的大范围灵活操作的能力,可满足较为复杂的任务需求。