冗余度机器人容错操作中关节相对速度突变影响因素

为了减小机器人锁定故障关节时刻的关节相对速度突变,运用退化条件数作为容错性能指标,分别以平面3R和空间4R机器人为仿真对象,分析研究了影响关节相对速度突变的主要因素.仿真结果表明,性能指标、末端初始点、末端速度、关节初始角度和末端轨迹均影响机器人的关节相对速度突变,并提出了减小机器人关节相对速度突变的具体方法.     

冗余度机器入容错操作中关节相对速度突变影响因素

为了减小机器人锁定故障关节时刻的关节相对速度突变，运用退化条件数作为容错性能指标，分别以平面3R和空间4R机器人为仿真对象，分析研究了影响关节相对速度突变的主要因素．仿真结果表明，性能指标、末端初始点、末端速度、关节初始角度和末端轨迹均影响机器人的关节相对速度突变，并提出了减小机器人关节相对速度突变的具体方法．     

冗余度机器人动力学容错性能

提出了最小关节力矩突变指标,对冗余度机器人动力学容错性能进行了研究,通过构造关节力矩突变的表达式,在不同锁定时刻规划出各个关节力矩,并将规划结果与运动学关节速度突变规划出的关节力矩相比较,证明了在低速运动下可以用最小关节速度突变算法控制机器人的末端误差,而在高速运动下需要使用最小关节力矩突变算法控制机器人的末端误差.最后通过一个平面3R机器人的仿真实例,验证了算法的有效性.     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

基于碰撞检测的空间冗余机械臂避障路径规划

针对障碍环境中自由漂浮模式空间冗余机械臂的路径规划问题进行了研究。首先基于球形包围盒和空间叠加思想简化描述障碍物和机械臂的空间占位关系,采用直线段与球体之间相对位置关系判断是否碰撞的检测方法。然后从正向运动学出发,运用关节参数化方法,把路径规划问题变为带约束的参数优化问题,并考虑基座姿态扰动最小以及碰撞规避建立多项加权的目标函数,通过粒子群优化算法求解最优解,得到机械臂关节运动轨迹。最后以七自由度空间冗余机械臂为例进行仿真,结果表明该方法可以实现有效避障,同时基座姿态受扰很小,关节运动轨迹平滑,且机械臂末端也能够以较高精度达到期望位姿。     

四自由度机械臂目标抓取轨迹规划的研究

为了实现Open-Manipulator机械臂目标抓取的运动控制,首先采用改进的D-H参数法构建机械臂运动学模型,然后利用机械臂结构坐标系之间的齐次变换矩阵,求得了正运动学和逆运动学解.最后利用Matlab下的Robotics Toolbox工具包进行仿真,在机械臂的关节空间坐标系采用七阶样条曲线算法进行轨迹规划,得出了各个关节的角度、角速度和角加速度的拟合曲线.结果表明,机械臂抓取作业轨迹平滑,各个关节轨迹的速度、加速度、加加速度保持连续,能够满足实际应用需求,为机械臂的目标抓取运动规划提供了相应的支持.     

基于容错指标的空间单冗余机械臂结构综合

为了增大机器人锁定故障关节后的容错空间,提高机械臂的容错性能,运用容错因子作为容错性能指标对机械臂进行了结构综合.基于反映机械臂相对容错性能的容错空间影响因子,提出冗余度机械臂结构参数的最优设计方法,该方法可以用来确定使机械臂具有最佳容错操作性能的臂长参数.利用空间4R机械臂的仿真实例证明了其有效性.     

空间机器人多臂精准协同控制技术

为了解决单臂空间机器人在轨服务任务中机械臂末端位姿控制精度有限的问题,提出了一种空间机器人多臂精准协同控制方法,该方法以3条7自由度机械臂的空间机器人(SR)为研究对象,利用Kane方法建立了具有通用性的SR动力学模型,该模型包括本体动力学方程与各条机械臂动力学方程两部分;在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了SR捕获目标过程中机械臂各关节的轨迹跟踪控制律,克服了机械臂的运动抖动问题．仿真结果表明,该方法可保证机械臂末端按照期望的轨迹运动,并且能提高机械臂末端位姿控制精度．     

核环境多关节蛇形机械臂的运动控制系统设计

以核聚变反应舱的探测和维护作业为例,设计一种具有多关节串联式结构的蛇形遥操纵机械臂系统,结构采用轨道推送加悬臂调整的复合式操控方案。针对机械臂执行全舱作业的运动需求,对机械臂运动轨迹进行仿真分析。设计包括路径规划与轨迹控制等的机械臂运动控制算法,构建各关节在运动学上能够同步运行的多轴协调控制系统。通过搭建模拟舱几何环境,对机械臂进行运动测试,完成关节旋转角度的控制精度评估。构建机械臂系统的重力补偿模块,通过柔性模型的仿真验证对机械臂系统的末端定位精度加以评估。测试结果验证了运动控制系统的有效性。     

输电线带电作业机械臂末端位姿误差补偿方法研究

输电线路带电作业机械臂辅助并代替人工进行线路检修作业与维护,具有广阔的应用前景。但自身与 外部扰动等多重因素会使得机械臂末端位姿存在一定偏差,直接影响作业对象定位精度,为了提升机械臂末端 在作业过程中的位姿精度,并使得机械臂能够自适应补偿扰动带来的影响,本文首先建立了机械臂作业过程的 运动学模型,基于该运动学模型建立了机械臂关节连杆参数和关节转角存在摄动时的末端位姿误差数学模型, 在上述基础上提出了一种机器人机械臂末端位姿误差补偿方法,并通过仿真实验验证了误差模型和补偿方法的 有效性。最后,在带电线路上,以机械臂实现输电线路引流板螺栓紧固为例进行了检修作业,试验验证了本文 所提出的机械臂末端位姿误差补偿方法的工程实用性,本文的研究对于输电线路智能运维管理具有重要理论意 义和实际应用价值。     

驱动器故障影响下柔性机械臂运动控制的进展与展望

随着机械臂技术的不断发展,传统刚性机械臂逐渐难以满足一些新式机械臂系统在轻质化、运动灵活性、大空间范围等方面的需求,如空间机械臂、手术机械臂、人机交互式机械臂等。越来越多的研究人员将目光投向柔性机械臂及其高精度运动控制方法的研究中。针对此类系统,目前已经有一些有效的运动控制方法被提出。然而,当机械臂的某一驱动器发生故障后,常规的控制方法难以保证原有的控制性能,甚至可能导致系统不稳定。研究驱动器故障影响下的柔性机械臂运动控制方法具有重要的理论意义和应用前景。本文首先概述柔性机械臂已有的运动控制方法。然后,从驱动器故障的类型出发,分析并综述驱动器性能故障、驱动器完全损坏故障以及驱动器突发故障对系统的影响及其克服方法的研究现状。最后,本文讨论了当前驱动器故障影响下柔性机械臂运动控制还需进一步解决的关键问题,总结了三点前景方向,对柔性机械臂运动控制的进一步研究具有一定的参考价值。     

基于最小流量的液压机械臂冗余分解

针对冗余液压机械臂预设轨迹下的能量优化问题,提出基于最小流量的液压机械臂冗余分解方法. 采用D-H参数法推导液压机械臂的运动学方程,构建末端速度与液压缸缸速的映射,建立系统能耗模型. 基于最小缸速范数法求解能量次优的冗余分解以部分降低能耗. 以液压系统流量最小为目标,通过优化加权雅可比矩阵求解能量最优的冗余分解. 为了提高计算效率,提出加权雅可比矩阵权值的动态优化方法,实现在线最优运动规划. 在研制的液压机械臂试验平台对冗余分解方法进行试验验证. 三关节平面运动试验结果表明,相比于现有梯度投影法和最小缸速范数法,所提最小流量优化方法相同末端轨迹的运动能耗降低超过5%.     

Multiple mobile-obstacle avoidance algorithm for redundant manipulator

In order to overcome the shortcomings of the previous obstacle avoidance algorithms, an obstacle avoidance algorithm applicable to multiple mobile obstacles was proposed. The minimum prediction distance between obstacles and a manipulator was obtained according to the states of obstacles and transformed to escape velocity of the corresponding link of the manipulator. The escape velocity was introduced to the gradient projection method to obtain the joint velocity of the manipulator so as to complete the obstacle avoidance trajectory planning. A 7-DOF manipulator was used in the simulation, and the results verified the effectiveness of the algorithm.     

空间3自由度冗余驱动并联机构的运动学分析

由n(n<6)条SPS主动支链和一条被动约束支链构成的并联机构结构简单而且承载能力更强,具有非常广泛的应用前景。以4-SPS/S结构的并联机构为研究对象,实现模拟船舶在海浪中的3自由度摇摆运动功能。运用螺旋理论分析4-SPS/S并联机构真实的自由运动特性。运用坐标旋转矩阵变换和矢量导数法,推导出并联机构位置逆解的解析表达式以及各主动支链和动平台的微分运动特性。运用杆长约束条件和Sylvester结式消元法,推导出该机构位置正解的解析解。仿真研究和实例验证结果表明,该机构具有4组位置正解,其中2组为实解,另外2组为虚解,验证了位置正解求解算法的正确性。     

A kind of biomimetic control method to anthropomorphize a redundant manipulator for complex tasks

It is an urgent problem for robots to operate complex tasks with some unknown motion mechanisms caused by the strong coupling of force and motion. However, humans can perform complex tasks well due to their natural evolution and postnatal training. A novel biomimetic control method based on a human motion mechanism with high movement adaptability is proposed in this paper. The core is to present a novel variable-parameter compliance controller based on human operation mechanisms with an action-planning method derived from optimization by human motion, and the main contribution is to change the parameters of compliance controller according to human operating intention synchronized with humanoid motion; this change could establish a humanoid map between the force and motion for a seven degree-of-freedom redundant manipulator to deal with the unknown motion mechanism in complex tasks, so the redundant manipulator can operate complex tasks with high performance. Sufficient experiments were performed, and the results validated the effectiveness of the proposed algorithm.     

一种稳定的冗余度机器人动力学解法

对冗余度机器人动力学优化中的零空间最小关节力矩法和伪逆法进行了研究,阐述了运动学和动力学同时优化的必要性,提出了一种在加速度级上以最小奇异值为优化性能准则的关节轨迹规划方法.以平面三自由度机器人为仿真对象,在长轨迹情况下对三种算法进行了仿真.仿真结果表明,所提出的算法具有良好的稳定性,并极大地改善了关节空间的终态自运动现象,证明了算法的有效性.     

基于加速度传感器的机器人学习控制

加速度传感器安装在机械手手部,各关节的加速度由加速度分解算法得到。文中提出的学习控制算法,利用加速度误差校正驱动器运动。算法的有效性通过PUMA562机器人的计算机仿真实验得到了证实。提出了一种基于几何级数的极限条件估计学习控制过程收敛条件的方法。     

七自由度冗余混联机械臂的动力学分析

结合人体手臂关节的运动特点,提出新型七自由度冗余串并混联拟人机械臂机构,并以该机构为例提出混联机构动力学建模方法. 根据运动的传递特性,采用矢量法推导出各个构件在各关节坐标系中的速度和加速度. 基于牛顿-欧拉法在各关节坐标系建立冗余混联机械臂机构的力平衡方程,由于肩关节为过约束机构,所要求解的未知量为27个,基于牛顿欧拉法所建动力学方程为24个. 引入冗余约束力（力矩）引起的杆件变形与动平台位置误差的关系作为补充条件,利用小变形叠加原理补充3个肩关节机构的变形协调方程,联立方程组得到机械臂动力学全解模型. 通过直线、抛物线和圆形轨迹的算例仿真结果验证动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及应用奠定理论基础.     

Kinematic Analysis of Mobile Manipulator for Measurement and Maintenance in Dangerous Environment

This paper studies the kinematic modeling of a mobile manipulator that consists of 5-DOF manipulator and an autonomous wheeled mobile platform. Then an artificial neural network to realize the coordination motion between manipulator and mobile platform is developed. On the basis of the task specifications, the algorithm determines the appropriate control variables to respond to the well tracking trajectory. The control strategy employed for either subsystem is achieved by using a robust supervised controller. A learning paradigm is used to produce the required reference variables for an overall cooperative behavior of the system. Simulation results are presented to show the effectiveness of this approach.