深海绳驱动蛇形机械臂运动学控制研究

传统的水下机械臂具有体积大、结构复杂、空间受限等缺陷，在水下环境中表现性能不佳。为了完成空间狭小、环境危险以及任务复杂条件下的水下作业，设计了一种适用于深海作业的绳驱动蛇形机械臂。首先，采用齿轮-齿条的结构形式，通过1个驱动电机完成了对2根传动绳的实时控制，减少了驱动电机的数量，降低了水下机械臂的能源消耗；然后，基于蛇形机械臂的结构特点，构建了驱动电机、传动绳、关节、末端执行器之间的多级映射关系，建立了其相应的运动学方程，并对该方程进行了求解；最后，根据绳驱动蛇形机械臂之间的多级映射关系，提出了一种基于模糊控制器的运动学控制策略，减小了由传动系统引起的跟踪误差，解决了难以获得绳驱动蛇形机械臂精确动力学模型的问题；并采用MATLAB对绳驱动蛇形机械臂的跟踪误差进行了仿真分析。研究结果表明：该绳驱动蛇形机械臂的偏航角最大绳长跟踪误差不超过0.05 mm,俯仰角最大绳长跟踪误差不超过0.09 mm,验证了基于模糊控制器的运动学控制策略的有效性。     

基于逆运动学的柔性机械臂末端定位控制

针对具有形变特性的柔性机械臂,在运动过程中存在末端不易定位控制或定位精度低的问题,设计了一种线驱动柔性机械臂样机,通过分析其运动机理推导末端位置空间、臂体形态空间以及驱动空间三者之间的逆运动学关系;然后,提出了基于逆运动学模型的柔性机械臂末端定位控制方案;最后,利用CoppeliaSim仿真平台建立了柔性机械臂仿真模型,并在该仿真平台中应用逆运动学关系进行柔性机械臂运动控制过程中末端定位仿真分析,仿真结果验证了所建立逆运动学模型的有效性及基于该模型的柔性机械臂末端定位控制方法的合理性.     

线驱动连续型机械臂设计与运动学仿真

面向复杂空间环境的需求,设计了一种新型线驱动连续型机械臂。基于几何分析方法提出了一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级柔性关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的运动学映射关系,给出了三级柔性关节的解耦运动学算法,利用改进的蒙特卡洛法描述其工作空间,并用Matlab对机械臂进行运动学仿真,通过对原理样机的实验研究验证了运动学算法的正确性,同时展示了机械臂良好的弯曲能力。     

六自由度水下机械臂设计与分析

为了解决有缆水下机器人(ROV)上搭载的机械臂作业范围不大、水下作业能力有限的问题，对六自由度(6-DOF)水下机械臂进行了研究，设计了一种带有平动开合功能夹持手爪的六自由度水下机械臂，实现了主手对从手的关节驱动器(液压缸或摆动缸)进行位置控制的目的。首先，基于多目标优化规则对夹持手爪进行了计算，求解出液压缸最短行程在20 mm时即可实现手爪的120 mm平动开合范围目标；然后，建立了六自由度机械臂活动关节的D-H数学模型，对机械臂的正、逆运动学进行了求解；最后，采用Solid works软件对设计的机械臂进行了干涉检查，并利用MATLAB软件仿真分析了6个活动关节的运动轨迹，采用蒙特卡洛法求解了机械臂的工作空间范围，并进行了样机测试和水下实验。研究结果表明：机械臂的仿真模型位姿与三维模型位姿一致，机械臂的6个活动关节速度和加速度曲线都是光滑平顺的、无突变点，不存在超调现象；设计的六自由度水下机械臂夹持手爪可以按照预定指令进行120 mm开合运动，ROV上的从机械臂能够跟随主机械臂运动，加减速性能良好，各关节转角范围满足设计要求，可为下一步机械臂的结构优化奠定基础。     

刚柔结合的充电机械臂设计

针对大型运输设备上的电池充电补给任务,设计了一款刚柔结合充电机械臂.针对机械臂的柔性部分和刚性部分分别分析了关节、任务、驱动空间之间的运动映射关系,给出了两级柔性臂的解耦运动学算法,使用蒙特卡洛方法求解了机械臂的工作空间,验证了机械臂设计的合理性,并用Adams软件进行动力学仿真分析,校核了设备选型的安全性.     

液压驱动连续型机械臂原理与设计

连续型机械臂具有运动灵活、可适应多障碍环境、柔性关节等特点,能在有限、狭小、危险空间内作业,在复杂设备维护方面将会有极大的应用价值。当前连续性机械臂主要采用电机驱动,其末端承载能力有限,一般小于5 kg。设计一种采用液压驱动的连续型机械臂,关节间采用金属材料,并使用万向节连接。分析了其运动学模型,并搭建了实验系统验证模型正确性。     

基于形状记忆合金驱动的柔性机械臂研究

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的柔性驱动模块,柔性驱动模块能够实现三维空间弯曲变形运动。以柔性驱动模块为模块单元,模块化组装了四关节柔性机械臂。基于SMA电阻变化特性,建立了SMA电阻自反馈控制系统,开展了柔性驱动器变形的参数化分析。进一步建立了柔性机械臂的多模态运动控制系统,实现了柔性机械臂的空间蜷缩抓取运动,通过实验验证了柔性机械臂灵活的空间运动能力。     

轻量级电驱水下机械臂设计与运动学分析

设计了一款四功能水下机械臂，并对驱动关节进行了模块化设计和密封测试。为了保证水下机械臂的可靠性，在水下机械臂水下测试前，进行了强度校核和模态分析。为了验证水下机械臂的性能，通过 Ｄ- Ｈ法建立了其运动学模型，在此基础上分别进行了正、逆运动学分析。此外还采用蒙特卡洛法，在正运动学分析的基础上研究了工作空间特点。研究结果将为进一步的运动控制提供有益的帮助。     

可变供给压力阀控制的机械臂节能方法

为了提高机械臂关节角位移运动精度,降低机械臂运动的能量消耗,采用可变供给压力阀控制,并对输出结果进行仿真验证。给出了可变供给压力阀控制装置简图,介绍了供给压力阀控制原理。设计了前馈反馈控制系统,推导出液压阀压力变化和活塞运动位置方程式。针对传统机械臂驱动方式进行改进,设计了可变供给压力阀驱动控制系统。采用Matlab软件对机械臂关节角位移跟踪误差、供给压力和电机转速进行仿真,与定量供给压力阀驱动控制系统形成对比。结果显示:采用定量供给压力阀驱动控制系统,机械臂关节角位移跟踪误差较大,供给压力和电机转速较大;采用可变供给压力阀驱动控制系统,机械臂关节角位移跟踪误差较小,供给压力和电机转速较小。采用可变供给压力阀驱动控制系统,可以提高机械臂关节角位移运动精度,降低控制系统的能量消耗,从而节约能量。     

绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究

针对目前组装式绳驱动柔性机器人存在的装配复杂、控制精度差与刚度低等问题，提出了一种用于狭小空间探测的超冗余绳驱动柔性机器人。首先，设计了一种通过卯榫连接的绳驱动柔性机械臂，基于常曲率假设，利用MATLAB软件建立了该机器臂的运动学模型，并对其工作空间与绳长变化量进行了仿真分析；然后，分别设计了基于上位机软件界面和增量映射模型的主从控制方法；最后，搭建了单关节的柔性检测机器人系统样机平台，并通过旋转弯曲与负载弯曲试验，对所建模型和控制策略进行了验证。研究结果表明：新构型柔性机器臂可以解决柔性机器人刚度较低的问题，其运动特性明显优于芯柱型柔性机器人，其负载能力达到250 g时，末端位置的控制误差小于8%,满足柔性机器人的控制需求。     

线驱动绿篱修剪机械臂运动学分析及仿真

针对当前绿篱机械臂无法在复杂环境和非结构环境下作业的问题,提出一种具有更强环境适应性、更高自由度和更大工作空间的冗余线驱动绿篱修剪机械臂。利用坐标分析法建立了单关节的运动学模型,求解了绳长与关节转角的映射关系;基于D-H参数法分析了10-DOF机械臂的正向运动学数学模型,采用遗传算法研究冗余机械臂的逆向运动学,求解了冗余机械臂的运动学逆解。仿真结果证明,遗传算法的求解精度高且求解迅速;对机械臂各关节绳索间的耦合进行了分析并推导了解耦公式。通过仿真验证了机械臂正逆运动学模型的正确性以及解耦模型的正确性,为绳驱动冗余机械臂的控制和轨迹规划奠定了基础。     

六自由度机械臂运动学分析与仿真

针对安川弧焊工业机器人手臂MOTOMAN-MA1400的构型特点,采用D-H法建立了机械臂的连杆坐标系,得到了以关节角度为变量的正运动学方程,利用Matlab进行正逆运动学计算以及机械臂末端点的轨迹规划。为了验证正逆运动学模型的正确性,直观地观察机械臂各部分运动情况,采用Pro-E建立了机械臂的三维实体模型。将角度变量值导入模型,开发了机械臂运动仿真平台。仿真结果与理论计算一致,从而验证了算法的正确性,并完成了机械臂的运动仿真,为机械臂在矿山领域的实际应用提供了理论参考。     

水下欠驱动机械手结构设计与仿真分析

面向水下机械手深海作业环境,研究设计了一种可用于水下环境的欠驱动机械手,机械手共有3个手指,每个手指有3个关节,是由连杆传动的欠驱动手指,欠驱动使手指抓取具有自适应性。分析了手指运动机理,研究设计了手指模块和整体结构,对手指进行了抓取静力学分析,在ADAMS软件中对机械手进行动力学仿真,验证了机械手结构的合理性与可行性。     

一种8自由度空间机械臂运动学及工作空间分析

针对太空环境,提出一种带有移动副的8自由度机械臂,可完成太空环境中的设备维修、物品抓取等工作。通过标准D-H参数法,推导了8自由度机械臂的位姿变换矩阵和正运动学方程;利用MatlabRobotics工具箱,建立机械臂的仿真模型,将仿真模型与机械臂运动学方程进行对比验证;采用蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行求解,绘制了机械臂末端执行器的工作空间点云图;通过Matlab对机械臂进行轨迹规划仿真研究,绘制运动过程中各关节的位移、速度、加速度变化曲线,验证了机械臂结构设计的合理性,为后续的研究工作提供参考依据。     

一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。     

无人机机械臂抓取动作的协调运动规划

近年来无人机在勘测救灾、空中观测、摄像等领域得到了广泛应用,搭载机械臂后无人机还可以完成样品采集等任务。受作业环境影响和无人机机械臂系统自身限制,为保证作业效率和设备安全,有必要对其运动进行规划。文中在运动学基础上采用梯度投影运动规划算法,对无人机机械臂抓取目标物进行运动规划,利用模糊推理确定其中的参数,并进行仿真试验验证。仿真结果表明该算法可有效对无人机机械臂的运动进行规划,并能协调无人机和机械臂运动,实现对目标物准确抓取。     

水下机械臂运动空间分析与轨迹跟踪算法优化

针对水下机械臂动力学模型不确定和未知外界干扰问题，采用基于HJI理论的径向基函数神经网络自适应控制算法对水下机械臂进行控制。首先，以水下六自由度机械臂为例，基于D-H法则对水下机械臂的运动学进行分析，通过仿真验证该方法的正确性；接着，基于蒙特卡洛法构建水下六自由度机械臂的运动空间云图，真实反映水下机械臂的运动空间；然后，以二自由度水下机械臂为例，设计基于HJI理论的RBF神经网络自适应控制器，利用神经网络的万能逼近原理逼近不确定干扰项，考虑到神经网络逼近存在误差，将逼近误差看作外界干扰项并通过HJI理论对逼近误差在线评价，评价系统对干扰项的抑制能力，并采用自适应算法在线估计网络权值，加快系统收敛；最后，通过仿真可知，该机械臂能较好地完成轨迹跟踪。     

基于构形平面的水下机械臂运动学求解方法

基于构形平面的运动学方法,推导出一种解决水下机械臂的运动学求解方法。首先研究了空间机械臂的常见空间关节形式,通过简化建立了统一形式的运动学表达形式。然后介绍了构形平面方法的基本原理和方法,并对构形中多角度连接模块进行了建模。对设计的水下机械臂进行简略介绍,建立其运动学模型,采用构形平面方法详细推导了水下机械臂的运动学求解过程,最后进行实例仿真,验证方法的有效性。     

基于橡胶波纹管的柔性机械手臂设计

柔性连续型机器人,相比离散关节型机器人具有高适应性与安全性的特点。针对多种应用领域,介绍一种使用压缩气体驱动的柔性连续型机械手臂原型机,利用其执行器由柔软材料制造装配而成的特点,它在抓取过程中能更好的保护表面脆弱的物体。使用橡胶波纹管,设计、制造并装配为执行器、执行器组及机械手臂,搭建实验台,建立执行器的伸长量与其内部气压的理论模型并通过实验验证,进一步测试柔性机械手臂的形变及运动性能,实现柔性机械手臂在其运动空间内可按照既定顺序工位操作的功能。结果表明,执行器的伸长量与其内部气压的理论模型准确,基于橡胶波纹管的柔性机械手臂具有较大的弯曲角度与一定的负载能力,可应用于识别与定位或物体的抓取移动等领域。     

八自由度连续体操作臂的运动学分析与仿真

从内窥服务的灵活性与安全性角度出发，设计了一款具有柔性骨架通过套管拉线驱动的八自由度连续体操作臂，基于分段恒定曲率假设和旋量理论得到了操作臂的全局正逆运动学解析解。为实现气瓶、油箱以及口腔等小入口腔体内表面状态的自动内窥检测，提出了一种协调工作空间与关节空间的“双空间协同运动规划法”。最后，通过数值仿真验证了运动学模型和运动规划方法的有效性。