动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法

为满足实时性和安全性的要求,提出了一种动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法.应用这一算法,在运动规划过程中可以兼顾机器人的避障和轨迹的平稳性.针对运动规划过程中出现的轨迹抖动问题,构建了基于自适应权重的优化问题模型.基于UR10机器人平台进行仿真验证,确认所提出的动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法的有效性与优越性.     

Dobot机械臂建模仿真与轨迹规划算法研究

MATLAB环境下研究Dobot机械臂的D-H建模、运动学分析、轨迹规划算法、仿真。在MATLAB机器人工具箱环境下,基于D-H参数模型建立Dobot机械臂模型,计算机械臂的齐次变换矩阵,通过仿真工具箱进行正逆运动学仿真与轨迹规划控制研究的运动仿真。通过仿真分析得到机械臂各关节在轨迹规划算法作用下的位移、速度、加速度以及末端轨迹。从仿真结果可知研究方法对于机械臂运动控制研究具有重要的现实意义,为Dobot机械臂控制、优化算法研究提供参考。     

工业机器人奇异规避轨迹规划方法

针对激光追踪仪测量工业机器人定位误差测量中出现的六轴机器人运动学奇异问题,提出了奇异区域预测及实时优化的奇异规避轨迹规划方法。以国产配天AIR50-A机器人为研究对象,建立六自由度串联机器人运动学模型,解算机器人笛卡尔空间与关节空间映射关系。基于雅克比矩阵与奇异位形的关系模型,分析和预测机器人运动轨迹中存在的奇异区域。当机器人末端处于奇异区域或奇异预测域时,记录初始关节角序列作为奇异区域轨迹规划输入,利用五次多项式插值方法迭代更新奇异区域内的轨迹路径,机器人既定的运动路径与更新后的奇异规避路径结合形成机器人新的规划轨迹路径,保证机器人关节角运动学参数连续性的同时,规避奇异区域。实验结果表明,提出的奇异预测域及实时优化的奇异规避轨迹规划方法,能够抑制机械臂奇异区域附近关节角速度的激变,减少奇异位形对机器人运动性能的影响。     

液压凿岩机器人机械臂轨迹规划研究

针对液压凿岩机器人机械臂的轨迹规划问题,提出一种液压系统与机械臂轨迹优化相结合的全局功率匹配方法。构建机械臂运动学位姿模型,在关节坐标系内基于三次多项式、五次多项式和带抛物线过渡的线性插值函数等寻优算法进行机械臂轨迹规划。搭建机械臂液压系统运动轨迹跟踪仿真模型,获取仿真环境下多液压缸协同控制的运动规律,根据不同轨迹曲线结合液压系统的各部分变量进行参数合理匹配与控制策略优化,从而进行了液压凿岩机器人机械臂轨迹规划验证。研究结果表明:五次多项式的规划方法能精确跟踪期望的关节运动轨迹,同时满足平稳运动和低耗能的要求。     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

基于改进萤火虫算法的机械臂时间最优轨迹规划

以国产某型号六轴工业机器人为研究对象,针对六轴机器人关节空间的轨迹规划问题,提出了一种基于改进萤火虫算法的时间最优3-5-3多项式插值轨迹规划算法.首先,由给定的机器人末端路径点求逆运动学得到关节空间下的路径插值点.然后,在速度约束条件下,利用萤火虫算法对插值结果进行优化,使得机器人具有最优运行时间.通过与传统萤火虫算法对比,改进后算法的收敛速度和精度都有明显改善.最后,应用MATLAB软件仿真出机械臂运动位置、速度、加速度曲线,并用实体机器人验证.结果表明,该方法使得机械臂具有更短的运行时间,稳定性更高.     

双臂协调机器人相对动力学建模

双臂机器人动力学建模是研究双臂协调运动的关键技术,难点在于同一系统中建立两机械臂之间联系。针对双臂协调机器人动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立了两臂动力学模型一般形式,运用矢量解析法求解单臂角速度雅可比矩阵,然后结合虚位移原理,基于相对雅可比矩阵建立双臂协调机器人相对动力学模型,确立两机械臂末端相对作用力与关节参数之间关系。仿真和试验结果验证了矢量解析法与相对动力学模型的正确性,该模型能够求解两机械臂末端相对力,为分析双臂协调运动提供理论依据。     

双臂凿岩机器人离散任务规划

探讨了一种实现基于个体的双臂凿岩机器人离散、随机任务合作规划的方法。用统计方法对凿岩机器人两机械臂进行任务划分，以机械臂完成离散随机任务的最短空间移动距离为优化目标函数，将任务合作规划简化为一个具有三角属性的双TSP问题的组合；用解决TSP问题的近似算法求解得到两机械臂任务规划的哈密尔顿回路；针对哈密尔顿回路中的交叉网络采用动态规划的方法进行合理优化，从而得到凿岩机器人的较优任务规划序列。算法的时间效率为0（n^2），其任务规划的最短距离代价比近似算法平均优化15％。     

基于数字孪生的机械产品运动性能调控方法

针对复杂机械产品在生产运作过程中的运动性能难以监测和控制的问题,提出一种基于数字孪生的运动调控方法。该方法以元动作理论为基础,建立机械产品基于数字孪生的运动研究六维结构模型,并规划了数字孪生驱动的运动性能调控模式。根据元动作链的运动特性,实施基于动作层的数据监测技术,解决了传感器的选择和布置问题。利用多维仿真软件和数字孪生技术强大的虚实交互融合能力,制定了具体的建模、仿真和运动优化技术方法。最后,以某六自由度工业机器人为例验证了该方法的合理性和实用性。结果表明,数字孪生驱动的运动性能调控机制适应性好,鲁棒性强,实现了机器人运动性能的精细化管理。     

基于ROS的六自由度机械臂避障研究

针对障碍环境下的机器人运动规划问题,提出了一种基于开源操作系统ROS平台的机械臂避障规划方法。以ABB六自由度工业机器人作为对象,进行运动学分析,利用Solid Works软件导出URDF文件,在ROS平台下,通过Move It!配置包完成机械臂运动规划配置。选择随机采样算法(RRT)在Motion Planning插件中进行机械臂的避障仿真,导出各个关节数据,并使用MATLAB进行二次分析。利用ROS在复杂环境下进行机器人的仿真分析,相比其他系统更加的方便直观,对机器人的应用研究意义重大。     

Evolutionary collision-free optimal trajectory planning for intelligent robots

This paper presents optimization procedures based on evolutionary algorithms such as the elitist non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) and differential evolution (DE) for solving the trajectory planning problem of intelligent robot manipulators with the prevalence of fixed, moving, and oscillating obstacles. The aim is the minimization of a combined objective function, with the constraints being actuator constraints, joint limits, and the obstacle avoidance constraint by considering dynamic equations of motion. Trajectories are defined by B-spline functions. This is a non-linear constrained optimization problem with six objective functions, 31 constraints, and 42 variables. The combined objective function is a weighted balance of transfer time, the mean average of actuator efforts and power, penalty for collision-free motion, singularity avoidance, joint jerks, and joint accelerations. The obstacles are present in the workspace of the robot. The distance between potentially colliding parts is expressed as obstacle avoidance. Further, the motion is represented using translational and rotational matrices. The proposed optimization techniques are explained by applying them to an industrial robot (PUMA 560 robot). Also, the results obtained from NSGA-II and DE are compared and analyzed. This is the first research work which considers all the decision criteria for the trajectory planning of industrial robots with obstacle avoidance. A comprehensive user-friendly general-purpose software package has been developed using VC++ to obtain the optimal solutions using the proposed DE algorithm.     

变电站轮式巡检机器人机械臂避障路径规划方法

变电站工作环境特殊且复杂,为保证巡检机器人在执行巡检任务的同时,能更好、更安全地进行作业,提出面向轮式巡检机器人的机械臂避障路径规划方法。利用八叉树结构建模技术,架构巡检机器人工作环境的三维模型与环境更新模型。确定机械臂与环境关系,建立机械臂运动学模型,根据末端执行器位姿的已知与未知情况,完成运动学模型的正解与反解计算。基于关节位姿的三维坐标,设定机械臂连杆不碰撞障碍物为必要条件,依据六次多项函数式解得的关节角速度与角加速度连续轨迹,通过更改非固定参数值,调整机械臂的移动轨迹,最后,利用贝塞尔曲线平滑处理路径。仿真试验结果表明,所提方法路径精度更优越,避障效果更理想,符合变电站巡检的实时性需求。     

基于避障准则的双臂手移动机器人桁架内运动规划

针对桁架内移动的避障要求,研究双臂手移动机器人桁架内运动的规划方法。基于状态空间模型提出直角坐标空间下的六面心、八边心和八顶点搜索算法,避免了C空间内复杂度呈几何级数增长的问题,实现了末端无碰撞路径搜索。建立双臂手移动机器人三节臂的平面内避障准则,解决了机器人在桁架内运动时机器人臂与桁架杆的碰撞问题。根据平面内避障准则和臂形标志,求得了各个关节角的解析解,解决了数值解的不封闭问题。每个时刻末端姿态由通用旋转变换公式线性插值得到,在Matlab中仿真双臂手移动机器人桁架内的运动,验证了双臂手移动机器人在桁架内运动时避障方法的可行性。     

障碍环境下移动操作机零件移动规划方法研究

将移动操作机应用于装配领域，研究了运动冗余且受非完整约柬的移动操作机系统在障碍环境下完成零件移动任务的运动规划问题。将整个任务划分成移动、夹取和转移3个子任务。将随机道路图法应用于移动操作机的协同避障规划，首先求出了移动平台的一条满足非完整约束的简单路径；然后以此路径作为操作臂位置约束，在操作臂的位形空间内随机采样构造了道路图；最后通过图的搜索获得一条移动操作机的无碰路径。以平面移动操作机为例，通过计算机仿真实现了2维工作空间的零件移动操作，表明了该方法的有效性。     

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模

针对柔性关节机械臂在避障完成后位姿与目标位姿存在一定偏差的问题,提出柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。将五次B样条曲线作为柔性关节机械臂避障路径规划的基础,在避障任务中引入速度修正项,通过关节角和关键点避障速度确定速度修正项取值。建立避障路径自动控制数学模型,利用该模型控制柔性关节机械臂在到达目标位置过程中实现障碍物精准规避,完成柔性关节机械臂避障路径自动控制。实验结果表明,所提方法能够减小位姿误差,平稳关节波动,实际应用效果较好。     

动态环境下移动机器人路径规划的改进蚁群算法

研究动态环境下移动机器人路径规划问题,采用栅格法对机器人工作空间进行建模,在使用蚁群算法进行全局路径搜索过程中引入人工势场的概念,使蚂蚁对最优路径更加敏感;机器人针对动态环境中可能出现的不同类型障碍物分别执行不同的避障策略;同时提出一种最优路径预测模型用于预测在避障过程中是否出现新的最优路径。算法结合人工势场法和蚁群算法的特点,将全局路径规划与局部路径规划相融合以提高路径搜索的效率。仿真结果验证了该算法的有效性。     

Comparative study of tracking control for a mobile manipulator: Nonholonomic and dynamic cases

This paper gives an in-depth treatment of the modeling and control of a mobile manipulator which consists of a robotic manipulator mounted upon a mobile robot. By neglecting slip of the platform's tires, nonholonomic constraints are introduced into the equations of motion. By considering wheel slip, the assumption of nonholonomic motion is violated. Nonholonomic and dynamic models of a mobile manipulator are developed and compared using the Lagrange-d'Alembert formulation and the Newton-Euler method, respectively. The dynamic model which considers wheel slip incorporates a nonlinear tire friction model. The tracking problem is investigated by using imput-output linearization for the nonholonomic model. For the dynamic model, a robust control method based on a matching condition is developed to eliminate the harmful effects of wheel slip, which acts as a disturbance to the system. Then, the effect of wheel slip on the tracking of commanded motion is identified via simulation. The effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated through computer simulation.     

Autonomous mobile robot navigation system designed in dynamic environment based on transferable belief model

This paper investigates the possibility of using transferable belief model (TBM) as a promising alternative for the problem of path planning of nonholonomic mobile robot equipped with ultrasonic sensors in an unknown dynamic environment, where the workspace is cluttered with static obstacles and moving obstacles. The concept of the transferable belief model is introduced and used to design a fusion of ultrasonic sensor data. A new strategy for path planning of mobile robot is proposed based on transferable belief model. The robot’s path is controlled using proposed navigation strategy that depends on navigation parameters which is modified by TBM pignistic belief value. These parameters are tuned in real time to adjust the path of the robot. A major advantage of the proposed method is that, with detection of the robot’s trapped state by ultrasonic sensor, the navigation law can determine which obstacle is dynamic or static without any previous knowledge, and then select the relevant obstacles for corresponding robot avoidance motion. Simulation is used to illustrate collision detection and path planning.     

一种变胞式工业机器人时间最优轨迹规划

根据变胞式工业机器人工作原理,建立了其工作轨迹模型,并基于该模型提出了一种变胞式工业机器人时间最优的轨迹规划方法。该方法着重考虑机器人构态变换过程,将轨迹规划问题转化为内外层嵌套的优化问题进行分析。分别给出该优化问题的设计变量、目标函数以及约束条件,得到了变胞式工业机器人时间最优轨迹规划问题的数学模型。运用所提出的方法对本课题组自研制的变胞式码垛机器人进行轨迹规划研究,根据其工作轨迹模型,建立了优化设计问题数学模型,在给出关节角度插值函数系数的确定方法后,采用嵌套粒子群算法对该优化问题进行求解,得到了优化后的关节角度函数以及理论工作轨迹,与实验所得的实际工作轨迹进行对比,验证了所提方法的可行性。该研究工作为变胞式机器人的运动规划研究提供了参考。     

基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划

为了使巡检机器人在电力系统中避开障碍物,顺利完成电力巡检工作,提出基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法。构建了电力巡检机器人的被控对象模型,分析电力巡检机器人的避障运动学,根据分析结果采用栅格法获取环境参数,实现环境建模,获取电力巡检机器人工作环境信息;引入改进人工势场法,叠加斥力势场和引力势场获得合力势场,判断环境中的障碍物并规划避障路线,完成电力巡检机器人自动避障轨迹的规划。实验结果表明,所提方法的避障准确率高、规划效果好、规划效率高。