一种基于DTW-GMM的机器人多机械臂多任务协同策略

为了控制机器人完成复杂的多臂协作任务, 提出了一种基于动态时间规整?高斯混合模型(Dynamic time warping-Gaussian mixture model, DTW-GMM)的机器人多机械臂多任务协同策略. 首先, 针对机器人示教时轨迹时间长短往往存在较大差异的问题, 采用动态时间规整方法来统一时间的变化; 其次, 基于动态时间规整的多机械臂示教轨迹, 采用高斯混合模型对轨迹的特征进行提取, 并以某一机械臂的位置空间矢量作为查询向量, 基于高斯混合回归泛化输出其余机械臂的执行轨迹; 最后, 在Pepper仿人机器人平台上验证了所提出的多机械臂协同策略, 基于DTW-GMM算法控制机器人完成了双臂协作搬运任务和汉字轨迹的书写任务. 提出的基于DTW-GMM算法的多任务协同策略简单有效, 可以利用反馈信息实时协调各机械臂的任务, 在线生成平滑的协同轨迹, 控制机器人完成复杂的协作操作.     

基于PSO非均匀样条插值的混合结构柔性臂抑振轨迹规划

柔性臂广泛应用于核工业、建筑业、太空探索等领域,但由于自身刚度低、大挠度、低阻尼等特点,其末端易产生振动且难以在短时间内消除.对此,研究一种具有一个旋转关节和一个伸缩关节的混合结构柔性臂的抑振轨迹规划方法.通过对其结构分解和刚柔部分分解,建立动力学和运动学模型.为了提高算法效率,引入权重因子,构造映射函数,选取非均匀插值点,采用粒子群算法(PSO)优化插值点位置增量,利用3次样条插值拟合优化后的轨迹函数.最后,通过设计混合柔性臂的控制系统,验证所提出抑振轨迹规划方法的有效性.     

双连杆刚柔机械臂无残余振动位置控制

针对双连杆刚柔机械臂,提出一种基于轨迹规划的无残余振动位置控制方法,在将机械臂的末端执行器从任意初始位置移动到目标位置的同时,确保系统没有残余振动产生.首先,建立系统的动力学模型,并通过分析该模型得到系统的状态约束方程.其次,基于状态约束方程,运用双向轨迹规划方法规划一条系统前向轨迹和一条系统反向轨迹.然后,利用时间倒转方法及基于遗传算法的轨迹优化方法对两条轨迹进行拼合,得到一条从系统初始状态到目标状态的期望轨迹.最后,设计轨迹跟踪控制器使系统沿期望轨迹到达目标状态,实现系统的无残余振动位置控制目标.仿真结果验证了本文所提方法的有效性.     

快速连续反应-避障作业环境下的七自由度灵巧臂轨迹规划

人类经长期学习训练后能对高速物体 (如棒球、乒乓球等)具有快速连续反应作业的运动技能, 从深层次上揭示是由于人体在其训练过程中不断学习优选了相应手臂的动作轨迹, 并储存了丰富的经验和知识. 受人体手臂动作此行为机制启发, 本文提出一种 7-DOF灵巧臂快速连续反应-避障作业的轨迹规划方法. 该方法将灵巧臂对高速物体目标作业的轨迹规划问题转化为动作轨迹参数化优选问题, 考虑作业过程中灵巧臂的机构物理约束和障碍约束条件, 以灵巧臂目标可作业度指标构建适应度函数, 采用粒子群优化 (Particle swarm optimization, PSO)方法优选作业轨迹中的冗余参数; 在此基础上 利用灵巧臂动作轨迹参数化优选方法构建相应作业环境下的知识数据库, 实现灵巧臂对高速物体目标的快速连续反应作业. 以仿人机器人乒乓球对弈作业为例, 将该方法应用于 7-DOF灵巧臂乒乓球作业的轨迹规划中. 数值实验及实际对弈试验结果表明, 该方法不仅能使灵巧臂所规划的轨迹 满足灵巧臂机构物理约束与障碍约束条件, 同时能实现灵巧臂对乒乓球体的快速连续反应作业, 验证了该方法的有效性.     

冗余度机械臂零初始加速度运动规划方案研究

针对冗余度机械臂加速度非零初始值的情况,探讨了一种基于伪逆的加速度层优化控制方案。利用约束函数以使关节从零初始加速度开始运动,并引入关节速度/位置的反馈信息,采用速度/位置误差补偿方法改善运动学方程。通过上述方案对机械臂进行优化控制,可及时减小末端执行器的速度误差和位置误差,从而保证轨迹跟踪的精度。利用MATLAB软件对平面三连杆机械臂跟踪圆形和星形轨迹进行了实验。实验表明末端执行器位置误差在5s内达到10-6 m精度,机械臂能顺利完成跟踪任务。     

基于ROS的六自由度机械臂运动规划

针对传统机器人在复杂环境下的安全问题以及运动规划问题,采用开源机器人操作系统ROS搭建了机器人仿真平台,并进行运动规划。在ROS平台下,利用URDF文件完成机械臂3D建模;利用Movelt配置助手(setup assistant)配置机械臂模型并且生成启动文件。在Rviz中显示三维模型;利用Movelt完成对六自由度机械臂的运动规划,以及避障轨迹规划。结果表明,通过Rqt_plot导出机械臂运动过程中六个关节的位置关系信息,可为进一步改善和研究机械臂轨迹规划提供更加直观的方法。     

垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略. 与传统的分区控制策略相比, 本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位 置开始移动, 并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标. 首先, 根据驱动连杆的初始和目标状态, 为驱动连杆规划 含可调参数的振荡衰减轨迹. 该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态. 基于连 杆状态间的耦合关系, 利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态. 接 着, 利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹, 这样, 系统末端点将由初始位置移动至 目标位置. 进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置. 最后, 通过仿真实 验验证所提控制策略的有效性.     

旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制

旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势.     

面向乒乓球对弈作业的七自由度仿人臂多目标轨迹规划

人类能对乒乓球拥有快速对弈作业的运动技能,并能以一种动作能耗小且舒适自然的手臂构型进行动作,其原因是由于人在长期的学习训练过程中积累了丰富的具有相应运动特性的"知识"信息.受人臂动作此行为机制启发,提出一种七自由度仿人臂面向乒乓球作业的多目标轨迹规划方法.该方法考虑仿人臂乒乓球作业的机构物理约束、障碍约束与任务约束条件,以仿人臂作业轨迹的能量消耗与臂姿构型舒适性为优化准则,采用多目标粒子群优化方法优选动作轨迹的决策变量获得一组最优的Pareto解集,决策者可根据实际决策需求选择其中一非支配解;在此基础上利用仿人臂多目标轨迹优选方法对其整个作业任务空间学习训练,构建仿人臂乒乓球对弈作业"知识"库.仿真试验结果表明该方法能较好地逼近真实的Pareto前沿,实现全局多目标寻优,且所优选的轨迹能满足仿人臂乒乓球作业的机构物理约束、障碍约束与任务约束条件,实际仿人臂动作测试也验证了该方法的有效性.     

基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.     

Laser-Based Tracking of Human Position and Orientation Using Parametric Shape Modeling

Robots designed to interact socially with people require reliable estimates of human position and motion. Additional pose data such as body orientation may enable a robot to interact more effectively by providing a basis for inferring contextual social information such as people's intentions and relationships. To this end, we have developed a system for simultaneously tracking the position and body orientation of many people, using a network of laser range finders mounted at torso height. An individual particle filter is used to track the position and velocity of each human, and a parametric shape model representing the person's cross-sectional contour is fit to the observed data at each step. We demonstrate the system's tracking accuracy quantitatively in laboratory trials and we present results from a field experiment observing subjects walking through the lobby of a building. The results show that our method can closely track torso and arm movements, even with noisy and incomplete sensor data, and we present examples of social information observable from this orientation and positioning information that may be useful for social robots.     

变维卡尔曼滤波算法的机动目标跟踪性能研究

卡尔曼滤波在非平稳矢量信号和噪声环境下具有广泛的应用,针对机动目标具有多个运动模型的特点,采用基于卡尔曼滤波的变维算法对机动目标进行跟踪处理,该算法首先建立了机动目标的非机动模型（CV）和机动模型CA）,然后对观测数据进行滤波和误差估计处理,最后通过计算机的蒙特卡洛仿真得到了滤波轨迹和机动目标的位置和速度误差,仿真结果表明变维卡尔曼滤波算法具有很好的目标跟踪性能.     

基于轨迹模板匹配的动态手势识别方法

首先采用基于混合高斯模型与椭圆肤色模型进行手势分割,分割出手势区域,使用卡尔曼滤波器进行手势跟踪,获得手势中心点的位置.在此基础上,记录各帧中心点位置,得到运动轨迹,利用提出的轨迹模板匹配方法对动态手势进行识别.该方法利用基本的几何特征便可完成手势运动轨迹的设置与识别,无需特征选择或训练样本的搜集.最后,采用基于Zynq-7000的Zedboard平台对该算法进行实现,并采用HLS硬件加速工具进行算法加速.实验结果表明,该算法可实现较精确的手势识别,接受弹性的输入采样,识别正确率在95%以上,且通过硬件加速后,可在嵌入式平台中实时识别,具有较好的实时性.     

基于数据手套与虚拟模型的手臂动作识别方法

为了配合残疾人使用助残假手完成日常活动,提出了一种基于数据手套与虚拟模型的手臂动作识别方法.通过数据手套上的MEMS传感器测量手臂运动数据,结合虚拟交互环境中的手臂模型,完成模型对真实手臂的动作复现,并获取手臂模型的位置数据.而后将传感器加速度、角速度等数据的时域特征与手臂模型位置数据的动作轨迹特征结合起来,使用支持向量机算法对预定义的5种手臂动作进行分类识别,识别率达到99.33％,验证了提出的手臂动作识别方法的可行性.     

A human–robot interface for mobile manipulator

This paper presents a remote manipulation method for mobile manipulator through operator’s gesture. In particular, a track mobile robot is equipped with a 4-DOF robot arm to grasp objects. Operator uses one hand to control both the motion of mobile robot and the posture of robot arm via scheme of gesture polysemy method which is put forward in this paper. A sensor called leap motion (LM), which can obtain the position and posture data of hand, is employed in this system. Two filters were employed to estimate the position and posture of human hand so as to reduce the inherent noise of the sensor. Kalman filter was used to estimate the position, and particle filter was used to estimate the orientation. The advantage of the proposed method is that it is feasible to control a mobile manipulator through just one hand using a LM sensor. The effectiveness of the proposed human–robot interface was verified in laboratory with a series of experiments. And the results indicate that the proposed human–robot interface is able to track the movements of operator’s hand with high accuracy. It is found that the system can be employed by a non-professional operator for robot teleoperation.     

一种实时的三维语义地图生成方法

为了提高模块化机械臂分拣作业效率,研究了一种实时三维语义地图生成方法。该方法设计了一种改进的区域增长分割算法提高了分割效率和准确性,通过基于距离阈值的特征匹配方法得到候选模型,采用随机采样一致性（RANSAC）和迭代最近点算法（ICP）生成转变假设并对候选模型进行验证,获取物体位姿信息,保存于XML地图文件中,将其与机械臂末端位姿进行推理分析,得到抓取任务轨迹。实验结果表明,该方法满足作业实时性与准确性的要求。     

基于Leap Motion的机械臂交互控制研究

针对多旋转自由度机械臂的便捷控制问题,建立了一种联接体感设备Leap Motion与六自由度机械臂的交互控制系统。在体感输入和机械臂运动响应模型中,利用基于几何方法的机械臂运动学逆解,提出一种增加求解约束,二分搜索末端抓取器最优空间位姿的解法。这种解法运行效率高,求解过程直观,能够在对数级时间内求解。经过仿真和实物实验验证,该解法具备处理大量体感输入数据,实现机械臂实时响应的能力,为非触控式的体感机械臂控制提供了一种可行方案。     

基于神经网络的内模控制在机械手控制中的研究

采用内模控制与神经网络相结合的方法来解决机械手的控制问题,使机械手沿着一定的期望轨迹运行。神经网络对机械手建模,使其作为内模控制中的模型,训练方法采用前馈网络的BP学习算法。单个神经元使用静态模型,输入神经元之间的延迟引入系统的动态。仿真结果表明,该方法具有有效性和实用性。     

两轮自平衡机器人动力学建模及其平衡控制*

针对高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的两轮自平衡移动机器人系统,采用Lagrange方程推导出动力学模型,对其进行稳定性和可控性判断,并利用LQR和龙伯格极点配置的方法在此模型的基础上对两轮自平衡机器人的姿态和速度进行控制,可获得较为稳定的动态平衡过程。给出了数学模型推导的具体步骤,分别采用以上两种方法进行了仿真研究和比较。仿真实验结果表明,这两种控制方法对机器人的稳定性控制都是有效的。其中龙伯格极点配置控制方法使系统的跟踪速度更快、稳定性更高,具有较高的实际应用价值。     

Adaptive control strategies for cooperative dual-arm manipulators

The article describes three strategies for adaptive control of cooperative dual-arm robots. In the position-position control strategy, the adaptive controllers ensure that the end-effector positions of both arms track desired trajectories in Cartesian space despite unknown time-varying interaction forces exerted through the load. In the position-hybrid control strategy, the adaptive controller of one arm controls end-effector motions in the free directions and applied forces in the constraint directions; while the adaptive controller of the other arm ensures that the end-effector tracks desired position trajectories. In the hybrid-hybrid control strategy, the adaptive controllers ensure that both end-effectors track reference position trajectories while simultaneously applying desired forces on the load. In all three control strategies, the coupling effects between the arms through the load are treated as “disturbances” which are rejected by the adaptive controllers while following desired commands in a common frame of reference. The adaptive controllers do not require the complex mathematical model of the arm dynamics or any knowledge of the arm dynamic parameters or the load parameters such as mass and stiffness. The controllers have simple structures and are computationally fast for on-line implementation with high sampling rates. Simulation results are given to illustrate the proposed adaptive control strategies.