冗余机械臂运动学建模与轨迹规划分析

针对七自由度冗余机械臂运动规划问题,提出了一种改进的运动学建模方法和轨迹规划方法。首先,通过改进的DH参数法建立冗余机械臂的正向运动学模型,描述从关节空间到笛卡儿空间的变换。然后,提出加权最小二乘法建立冗余机械臂的逆向运动学模型,快速求解笛卡儿空间到关节空间的变换。接着,利用五阶多项式插值函数对冗余机械臂进行关节空间轨迹规划,提高机械臂运动的平坦性。最后,在仿真中验证了本文所提方法的有效性,结果表明该方法能够有效解决冗余机械臂的运动规划问题,具有一定的实际应用参考价值。     

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。     

用分离空间法解决冗余度机器人的最优规划

通过对冗余度机器人运动学的研究，提出了用分离空间法解决冗余度机器人的最优规划问题。将雅可比矩阵分为基本部分和次要部分，相应地描述机器人运动状态的物理量也分成两部分。在此基础上进行轨迹规划，回避对雅比矩阵伪逆的直接求解。     

在轨服务飞行器机械臂系统运动规划

为了研究在轨服务飞行器机械臂系统的运动特点,控制和规划其运行轨迹,文中将系统运动守恒模型转化为以关节角速度为控制输入变量的非线性控制系统状态方程,确定以能耗最小为主要目标,同时满足初末位置、角速度等约束条件的多种目标函数,运用实数编码的遗传算法求解最优控制变量.利用机械臂从初始位形运动至指定终端位形的过程为仿真算例,验证了这种规划算法的可行性,同时分析了机械臂系统运动对基座的扰动情况.仿真结果表明,该算法能够用于控制和规划在轨服务飞行器机械臂系统的运行轨迹,为优化OSV的在轨服务操作提供理论参考.     

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.     

移树机大臂机构多目标参数优化及试验

大臂机构是移树机的核心工作部件,为减小移树机作业时能耗、增强适用性和灵活性,并满足结构紧凑的要求,对移树机大臂机构进行运动学和动力学分析。以移树过程中液压缸的做功最小和大臂末端沿着前进方向轨迹摆动量最小为目标,以大臂的结构空间和工作空间、运动时不发生干涉以及构件间传动角要求为约束条件,建立了移树机大臂机构参数优化模型,经优化获得最佳参数。优化后功耗为原来的74.87%,大臂末端沿着前进方向轨迹摆动量为原来的67.95%。根据最佳参数研制了大臂机构,并装在装载机上对大臂末端轨迹进行高速摄像分析,发现其轨迹和理论计算吻合,可见所建立的运动学、动力学和参数优化模型是可靠、有效的。     

解决运动学和动力学性能优化的对耦空间法

绝大多数冗余自由度机器人的动力学优化算法都没能合理地处理诸如避障碍物、避奇异位形和关节运动极限等运动学优化问题。本文提出了在机器人雅可比矩阵对耦空间上处理此问题的新思路。基于此思路所提出的优化算法把机器人的运动学优化限制在雅可比矩阵张成的空间进行，而一些动力学性能指标如对关节力矩的优化可在雅可比矩阵的零空间上进行，计算机仿真表明，本文提出的算法，在用于处理运动学和动力学性能的同时优化方面非常有效。     

一种新型并联机床的最优轨迹规划

提出了一种新型并联机床的最优轨迹规划方法,其过程是在参数空间进行轨迹规划,再将参数空间的运动轨迹映射到关节空间。在轨迹规划中,以雅可比矩阵条件数的倒数作为适应度函数,利用遗传算法优化了并联机床的多余自由度。仿真计算结果表明:最优轨迹规划方法既能给出并联机床加工过程中的灵巧构型,又可使得并联机床获得平稳的运动性能。     

自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

冗余度柔性杆机械臂自运动规划减振

提出了利用冗余度来减轻柔性杆机器人臂运动过程中的末端振动变形新方法,通过寻优确定机器人臂最佳的自身运动,使机器人臂末端在沿着预定轨迹运动的同时,具有最小的振动变形。平面三柔性杆机械臂动力学数值模拟显示了该方法的有效性。     

基于Radau伪谱法和MPC的智能电动车辆生态驾驶

为优化智能电动车能源消耗,提出了基于Radau伪谱法和模型预测控制算法的智能电动车辆生态驾驶的方案。建立生态驾驶控制模型和能耗模型,结合边界约束和路径约束,构建生态驾驶能耗优化的最优控制问题。通过能耗优化得到最优车速轨迹,将此轨迹作为期望输入,基于模型预测控制( MPC)算法完成生态驾驶控制。实验结果表明：以纯电动车和实际规划路径为例,以最优车速自动行驶的能源消耗少于人工驾驶的能源消耗,验证了文中策略的有效性。     

The collision-free trajectory planning for the space robot to capture a target based on the wavelet interpolation algorithm

In the research of path planning for manipulators with many DOF, generally there is a problem in most traditional methods, which is that their computational cost (time and memory space) increases exponentially as DOF or resolution of the discrete configuration space increases. So this paper presents the collision-free trajectory planning for the space robot to capture a target based on the wavelet interpolation algorithm. We made wavelet sample on the desired trajectory of the manipulator’s end-effector to do trajectory planning by use of the proposed wavelet interpolation formula, and then derived joint vectors from the trajectory information of the end-effector based on the fixed-attitude-restrained generalized Jacobian matrix of multi-arm coordinated motion, so as to control the manipulator to capture a static body along the desired collision-free trajectory. The method overcomes the shortcomings of the typical methods, and the desired trajectory of the end-effector can be any kind of complex nonlinear curve. The algorithm is simple and highly effective and the real trajectory is close to the desired trajectory. In simulation, the planar dual-arm three DOF space robot is used to demonstrate the proposed method, and it shows that the algorithm is feasible.     

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.     

冗余度机械臂容错操作中关节速度突变

为了减小关节速度突变,改善机械臂容错操作的运动平稳性并提高其操作精度,根据关节速度突变这一指标,提出了使速度突变极小化的容错运动规划算法,并利用PowerCube 4R空间机械臂和Optotrak三维动态测量系统建立了一个实验平台,实测出了容错操作中由关节速度突变引起的机械臂末端的运动误差。研究结果表明,在对机械臂进行锁定关节的容错操作时存在关节速度突变,这种突变严重影响了机械臂末端的运动精度,利用该算法可以有效地减小关节速度突变。     

Inverse Kinematics Analysis of a 7-DOF Space Manipulator for Trajectory Design

To solve the inverse kinematics problem for redundant degrees of freedom (DOFs) manipulators has been and still continues to be quite challenging in the field of robotics. Aiming at trajectory planning for a 7-DOF space manipulator system, joint rotation trajectories are obtained from predetermined motion trajectories and poses of the end effector in Cartesian space based on the proposed generalized inverse kinematics method. A minimum norm method is employed to choose the best trajectory among available trajectories. Numerical simulations with the 7-DOF manipulator show that the proposed method can achieve the planned trajectory and pose under the circumstances of minimum angular velocities. Moreover, trajectory results from the proposed kinematics model and inverse kinematics method has the advantages of simple modelling, low computation cost, easy to solve and plan trajectory conveniently. The smooth and continuous joint rotation functions obtained from the proposed method are suitable for practical engineering applications.     

基于加权矩阵的过驱动并联机构驱动力矩调节法

建立了一种平面三自由度过驱动并联机构的运动学方程,并基于虚功原理和等效力方法得出了其动力学模型。分析了过驱动机构动力学方程逆解问题的特点,提出用一种新的优化目标(即加权范数最小方法)来协调分配驱动力矩。将驱动器的额定输出力矩与实际工作力矩之间的差值定义为该驱动器的继容力矩,在此基础上给出了加权系数的选择准则。根据所提出的局部调节或全局调节准则来选择加权系数可以调节相应驱动器输出力矩,在一定程度上可以均衡各驱动器的继容力矩。数值计算结果表明,该方法对于防止部分驱动器输出力矩过大和保证系统稳定有一定的作用。     

扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用

采用用于冗余度机器人求解的扩展雅克比方法,通过引入次级任务实现了冗余度机器人的周期性控制.介绍了自行研制的4自由度轻型机器人,以指定的空间轨迹作为主要操作任务,采用姿态控制作为次级任务,对4自由度冗余机器人进行了逆运动学求解和实验验证.并给出了机器人关节空间的期望变量,得到了关节空间和笛卡尔空间的轨迹误差.     

一种新型高阶连续的点对点运动轨迹规划算法

为解决机器人、数控机床、起重机等机械设备的运动状态变化对系统冲击过大的问题,利用两段双曲正切函数构造衔接点在匀速段的S型速度曲线,并将S型曲线与跟踪微分器结合,生成一种结构简单、高阶连续的点对点运动轨迹 (HCPPMT),通过调整HCPPMT的相关参数,可调节加、减速阶段的快慢程度、匀速阶段的最大速度、作业时间,使点对点运动过程中加速、匀速、减速过程的平滑程度、冲击强度可控、各阶段状态可调,减少了运动状态切换对机械设备的冲击,增强了运动平稳性。应用Lyapunov方法证明了HCPPMT的收敛性,并对HCPPMT具有的一些物理性质进行了严格的数学证明,通过与其他两种轨迹对比,以及在三自由度机械臂末端执行器轨迹规划上的应用,说明了HCPPMT的优越性。     

Inverse kinematic optimal design of 6-DOF parallel manipulators

To obtain the required articular velocities as lower as possible for the given kinematics of the moving platform, this paper focuses on this kind of articular velocities optimization of 6-DOF parallel manipulators. Based on the inverse kinematic analysis, the H∞ norm of the weighted Jacobian matrix was adopted as the performance index to minimize the articular velocities, and then the optimal design problem was formulated to find a manipulator geometry that minimized the global performance index with the constraints of the workspace and structural parameters limits. Since the optimal design problem is a constrained nonlinear optimization problem without explicit analytical expressions, the genetic algorithm was applied to numerically solve the problem. Simulation results indicate that the articular velocities of the optimal manipulators can be the minimum while the kinematic reauirements of the moving platform are satisfied.