面向UAV的绳驱动空中机械臂动力学建模分析北大核心

为解决空中机器人与外界环境交互作业问题,设计了一种面向UAV的绳驱动空中机械臂系统,并研究了其系统建模方法。首先,设计了绳驱动空中机械臂的虚拟样机,详细地介绍了其机械结构、工作原理以及绳索解耦方式;其次,综合牛顿-欧拉法、拉格朗日法、旋量理论、空间算子代数理论4种方法推导出了整个系统的正反向运动学模型和正反向动力学模型;最后,通过仿真算例对绳驱动空中机械臂的性能进行了模拟评估。结果表明,所建立的绳驱动空中机械臂系统模型是合理有效的,能较为准确地反映系统的动态特性,所提出的综合建模方法对其它多刚体系统的建模具有一定的参考价值。     

刚柔耦合关节SCARA机器人的双柔性动力学模型北大核心

针对电子装配机器人高速高精要求,提出一种能够利用柔性铰链变形补偿轴承摩擦死区,实现高精度定位运动的刚柔耦合关节SCARA机器人的概念设计,并建立考虑柔性铰链变形与机械臂一阶弹性变形的双柔性动力学模型。首先,设计一种刚柔耦合轴承的结构,通过轴承中柔性铰链的变形量主动补偿摩擦死区引起的定位误差;在每个关节处引入两个扭转弹簧,分别模拟柔性铰链和机械臂的弹性变形;其次,建立关节的摩擦模型以模拟关节摩擦环境;然后,使用拉格朗日动力学方法建立包含摩擦信息与振动信息的动力学模型。设计开环和闭环的数值仿真进行验证,结果表明该模型理论分析的有效性。     

5-DOF仿人型机械臂关节空间轨迹规划研究

文章以5-DOF仿人型机械臂为研究对象,讨论了工业机器人轨迹规划方法及相关问题。对该机械臂进行了运动学分析,建立了机械臂运动学方程,并针对典型搬运作业方式,以距离最优为目标选取空间梯形路径关键点,设计了基于关节空间五项多项式插值算法的轨迹规划方法,利用Robotics Toolbox工具箱进行机械臂虚拟建模及关节空间轨迹规划仿真。经验证,相对于传统矩形路径作业方式,该方法可以更好完成工业机器人搬运作业的轨迹规划问题,对进一步结合工艺参数研究工业机器人控制系统具有必要的理论及实践意义。     

UR10机器人的运动学分析与轨迹规划

为了让机器人在作业过程中运动轨迹具有连续、平滑的特性,对6自由度机械臂进行了运动学分析和轨迹规划。以6自由度的UR10机器人为研究对象,以刚体运动的齐次变换理论为基础,应用改进的D-H法对UR10机器人进行了运动学建模,基于几何与代数法对机器人进行了正、逆运动学分析,得到笛卡尔空间中末端执行器的位姿与关节空间中机器人关节角度之间的映射关系,并通过实例验证了公式推导的准确性。最后,基于MATLAB机器人工具箱,应用梯形的速度混合曲线对UR10机器人进行轨迹规划的仿真实验。试验结果表明:基于梯形的速度混合曲线得到的轨迹规划,实现了机器人的运动轨迹的连续和平滑。     

考虑关节摩擦的刚柔耦合机械臂末端抖动模拟与分析

为了解关节摩擦对刚柔耦合机械臂末端抖动的影响，解决机械臂的优化设计问题,利用ANSYS、ADAMS软件建立机械臂刚柔耦合模型，并在ADAMS中进行动力学仿真。通过进一步创建考虑关节摩擦的机械臂虚拟样机模型，对机器人末端振动特性进行动态模拟与分析。仿真结果表明：在机器人实际工作过程中，关节2和关节3存在摩擦对机器人末端抖动的影响最显著；在考虑多关节摩擦时，关节2和关节3共同存在摩擦时可使得机器人末端非周期性抖动幅值减弱，且当关节2摩擦因数取01时机器人末端抖动表现最弱，但关节3摩擦因数的改变几乎不会引起机器人末端抖动情况的变化。     

基于扩展任务的双臂机器人位姿优化

为了能够在不修改工业机器人控制器的逆解算法的前提下对双机械臂系统进行位姿优化,同时要求以双臂各向同性指标为强化目标,设计出基于扩展任务的双臂姿态优化方法。首先对双臂机器人的协作任务进行了运动学分析与建模,然后基于最近被提出的一种新型的通用冗余机械臂位姿优化方法对双臂位姿优化进行数学描述,并表明了优化指标-双臂各向同性指标的几何和物理意义。再利用蒙特卡洛采样方法和非线性回归拟合出了主机械臂在操作空间的位姿与协作任务的位姿之间的数学关系,即扩展任务的数学模型。最后在ABB Robot Studio机器人仿真软件中对双臂系统进行主从协作运动任务的仿真,结果表明:利用扩展任务的优化方法可以实现以各向同性指标强化为目标的双臂系统的位姿优化,可以使两只机械臂都远离肘关节奇点和肩关节奇点,并且表明本质上还可以减小机械臂的条件数的值。     

管廊消防巡检机器人设计与分析

针对综合管廊的安全运维与管理的需求,设计一种集巡检和消防灭火功能于一体的管廊消防巡检机器人。该机器人由机器人本体、灭火器、机械臂和智能检测系统构成。介绍了机器人的总体结构及功能,建立了机械臂的D-H坐标系,对机械臂进行正、逆运动学分析。运用蒙特卡洛法及MATLAB软件对机器人机械臂的工作空间进行仿真与分析,得到不同情况下的机械臂末端的工作空间,仿真结果验证了机械臂可灵活满足机器人的工作要求,为后续管廊消防巡检机器人的控制工作和优化设计奠定了基础。     

机器人操作臂离线编程仿真系统

简述了离线编程仿真系统相对传统示教编程的优势,提出了基于OpenGL与QT的机器人操作臂离线编程仿真系统,建立机器人操作臂及工件的三维模型并实现了机械臂的运动学动态仿真。设计开发了离线编程仿真系统各功能模块,包括机器人语言编程模块(编程语言及其翻译器)、运动规划模块、机器人运动仿真模块、模型管理及辅助模块等。最后给出了仿真系统对机器人搬运工件的应用实例。     

柔性输电线-带电作业机器人刚柔耦合特性分析

输电线路带电作业机器人通过双轮行驶于高压电缆,刚性的机器人系统和柔性的输电线路之间构成了复杂的刚柔耦合系统,特别是在刚性系统和柔性系统的轮线接触处表现出较强的非线性复杂耦合特性。为保障机器人作业过程的稳定性,获取较好的作业动态性能,分别建立了柔性导线、刚性机器人以及柔性导线-刚性机器人的耦合动力学模型。基于该模型,在ADAMS中分几种不同典型工况对带电作业机器人线上作业行为的动力学特性进行了仿真研究。通过仿真特性曲线一方面验证了刚柔耦合动力学模型的有效性,另一方面通过仿真模型得到了合适的机器人动力学参数,从而实现机器人作业优化与控制。最后在带电线路进行现场引流板紧固作业试验,结果也验证了所提出的刚柔耦合动力学模型的工程实用性。     

空间机械臂在轨刚度计算与验证北大核心

空间机械臂在执行空间任务时具有不同的构型,采用有限元法分析它在各构型下的基频时工作量巨大而难以实现。为此,提出一种基于柔度矩阵理论建模的计算方法并进行验证。根据机械臂结构特性建立运动学模型;提出柔度矩阵理论建模的计算方法;通过有限元仿真分析机械臂2种典型构型,验证柔度矩阵理论;对机械臂进行地面展开基频实验。结果表明:柔度矩阵计算偏差为3.4%,理论分析基频与有限元计算基频偏差为1%,验证了所提出的柔度理论建模方法对机械臂在轨基频计算的准确性;理论分析基频与实验基频偏差为7.2%,偏差主要来源于有限元仿真,满足工程上10%的偏差要求。该方法将柔度矩阵与机械臂构型相结合,能快速计算机械臂在不同构型下的基频。相对于有限元法,该方法得到较大简化,具有一定的工程应用价值。     

柔性关节机械臂的滑模变结构控制

研究一种带有柔性关节的二连杆机械臂的轨迹跟踪滑模变结构控制问题。针对机械臂的非线性、强耦合以及高阶次的柔性关节特性,运用Lagrange方程建立动力学模型,并针对二连杆机械臂设计滑模变结构控制律,实现一种在一定的系统特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动的鲁棒控制,系统可达到更高的控制精度及稳定性。最后基于Sim Mechanics建立柔性关节机械臂仿真模型,并通过实验与仿真验证了该控制算法的有效性与可行性。     

双连杆柔性关节机械臂分数阶线性自抗扰控制

针对双连杆柔性关节机械臂的柔性振动和受外部干扰的问题，提出了一种复合控制器的控制策略。通过拉格朗日方程建立了考虑关节柔性的刚柔耦合的机械臂动力学模型，使用奇异摄动法对机械臂系统解耦，使其分解成代表刚性部分的慢速子系统和代表柔性部分的快速子系统；对于慢速子系统，设计了带有前馈补偿的分数阶线性自抗扰控制器来抵抗内外扰动，实现了机械臂的高精度的轨迹跟踪，对于快速子系统，采用微分补偿项补偿，来抑制关节的柔性振动，从而达到系统稳定。实验和仿真结果表明，系统可以有效地实现双连杆柔性关节机械臂的轨迹跟踪，并且相对于整数阶线性自抗扰控制器有着更好的动态性能和鲁棒性。     

考虑柔性关节的刚柔耦合机械臂的优化设计

为了提高刚柔耦合机械臂的运动精度,抑制由柔性关节引起的振动。根据"线性扭簧模型"和有限元法,推导出机械臂柔性关节和杆件的动力学模型,找寻刚柔耦合机械臂关节阻尼参数与末端振动位移的关系。确定关节阻尼取值范围并将其作为设计变量,设计目标为机械臂的末端振幅,进行优化。使用ADAMS对已建立关节阻尼优化设计模型的刚柔耦合机械臂进行优化设计,得到最小振幅时最优阻尼。对比并分析机械臂高速和低速两种工况下的结果,并对机械臂进行附加强迫振动分析。验证了柔性关节对高速和低速机械臂末端运动精度均有不可忽略的影响,为带有柔性关节机械臂抑制振动,提高精度提供理论依据。     

基于ADAMS和ANSYS的机械臂刚柔耦合运动学分析

针对机械臂的设计要求,设计了一种由两个铰链四杆机构组成的双自由度机械臂,利用ADAMS建立机械臂的刚性体模型,仿真得到不同时刻的运动参数曲线;利用ANSYS建立指定部件的柔性体模型,得到不同阶数的模态频率和模态振型值;利用ADAMS和ANSYS进行联合仿真后,得到机械臂的刚柔耦合模型,仿真结果表明:柔性体模型在z方向发生了微小位移变化,x、y方向位移波动范围增加了10 mm。利用Altium Designer软件绘制控制电路图并进行了实物制作,实验结果表明该机械臂具有广泛的适用性。     

四旋翼飞行器的动态滑模轨迹跟踪控制研究

为了提高四旋翼飞行器在外界扰动影响下的飞行性能,提出了一种结合动态滑模与反步法的轨迹跟踪控制策略。首先,利用牛顿-欧拉方程推导了四旋翼的动力学模型,明确系统输入输出关系。其次,根据时间尺度原理,将系统分为位置与姿态两个控制环,分别设计了基于反步法的动态滑模控制器,并对建模的不精确性与外界扰动的影响进行了补偿。最后,通过仿真算例与飞行实验对文中所提控制策略的有效性进行了验证,结果表明该控制策略表现出比传统反步法与滑模控制更优的控制性能,能有效抑制外界扰动,实现四旋翼的轨迹跟踪控制。     

绳驱咽拭子机器人的设计与实验

为了避免医护人员在繁重的采样过程中受新冠等病毒的感染，设计一种代替人工采样的绳驱咽拭子机器人。该机器人包括同轴绳驱机械臂和驱动系统。同轴绳驱机械臂外层绳驱机构和内层绳驱机构的配合提高了机器人采样的灵活性。驱动系统控制机械臂平移运动扩大了机器人的工作空间。通过Simulink建立绳驱咽拭子机器人的多刚体模型及控制系统。仿真和实验验证了绳驱咽拭子机器人对复杂采样环境的适应性及绳驱咽拭子机器人采样的有效性。     

柔性宏刚性微机械臂空间焊接轨迹跟踪

柔性宏刚性微机械臂是一类特殊结构机械臂系统,适用于空间大范围运动与精密操作任务.文中以2个柔性宏机械臂和3个刚性微机械臂构成的平面机械臂为研究对象,对其动力学建模、宏微冗余空间分解、运动误差补偿等问题进行了研究,给出了较为详实的仿真试验结果,验证了采用柔性宏刚性微机械臂实现空间焊接的可能性.     

基于Simulink Real-Time的dVRK机械臂实时控制研究

为提高dVRK外科机器人控制系统的快速响应性和控制实时性,基于D-H参数模型建立dVRK 七自由度机械臂的连杆模型。计算机械臂的齐次变换矩阵,为机械臂的实时控制提供参考。基于MATLAB/Simulink建立机械臂各关节的PID位置控制半实物仿真模型,实现机械臂末端的实时定点控制。结果表明：所提系统可实时准确地完成外科机器人机械臂的数据采集和相关控制算法的验证。     

基于ROS的机械臂运动规划研究

为提高多自由度串联机械臂在作业过程中的工作效率及安全性问题,提出一种基于ROS平台的机械臂运动规划方法。以ABB机器人为研究对象,进行正逆运动学分析。通过MoveIt配置包构建机器人的三维可视化模型,对机器人进行笛卡尔空间下的直线和圆弧规划实验。为提高机器人运动安全性和关节运动的平滑性,自定义一种线性插补算法后集成到MoveIt中进行运动仿真实验。实验结果显示机器人各关节运动轨迹平滑,稳定性高,表明此插补算法的可行性。最后进行机械臂的避障仿真实验,在MATLAB中对快速扩展随机树（RRT）算法和双向快速扩展随机树（RRT-Connect）算法进行对比实验,仿真证明：RRT-Connect算法速度快,路径短,更能提高机械臂在复杂路径下的规划效率。     

LabVIEW在机器人设计中的应用与研究

机器人产品的设计融合多个学科,其具有一定的综合性、复杂性。以六自由度机械臂的设计与运动仿真为例,借助于LabVIEW应用软件开发平台,将三维建模技术与虚拟仪器控制技术二者相融合,阐述LabVIEW在机器人产品设计与运动仿真中的可操作性及应用特点,实现了该机器人产品的设计与运动仿真。采用该方法缩短了研发周期,提高了产品研发效率。