基于四元数和B样条的机械手平滑姿态规划器

为实现机械手作业姿态的平滑调整,提出一种平滑姿态规划器.采用四元数代替传统的齐次变换矩阵描述机械手姿态,推导了两者之间的转换关系.通过四元数球面立体插值,生成过关键姿态且平滑的姿态轨迹.按机械手终端定位精度将其离散化,逆运动学解算后得到关键关节位置,并以五次B样条曲线插值方法生成启停平稳且脉动连续的关节轨迹.试验结果表明,提出的规划器使机械手姿态调整平滑且关节运动平稳,有效解决了平滑姿态规划问题,提高了机械手轨迹跟踪精度.     

面向口腔种植的机器人多姿态轨迹平滑规划

根据口腔种植手术的要求，基于光学定位技术开发了一套自动化程度较高的种植牙手术机器人系统，并且对系统空间坐标系转换进行研究.平滑的姿态轨迹规划对口腔种植机器人工作时的精度和效率有着重要的影响，提出一种基于四元数和旋转向量的多姿态C²连续的平滑插值算法.在三维空间中采用线性插值与B样条曲线平滑拼接的方式对旋转向量进行插值计算，所对应的四元数将保持在三维空间中的连续性，实现对单位四元数C²连续的多姿态平滑插值.通过实验分析和对比验证，所提B样条多姿态平滑插值算法具有C²连续性，在实时性能和运动效率方面优于SQUAD算法，适用于机器人末端执行器的多姿态轨迹规划.     

磨抛离线编程中修正砂带位姿及加工姿态

为提高离线编程系统机器人仿真工作环境模型与实际工作环境模型的匹配度,提出了使用偏移变量法来测定偏差值．根据测得砂带的偏差值,通过软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ修正工作环境中砂带位姿,并在修正后的砂带上重新建立工具坐标系. 根据四元数线性插补法,对加工线上的起始点、中点和终点坐标系姿态进行适当的变换,然后通过四元数线性插补完成中间加工点的插补,修正加工姿态,解决了磨抛工件曲面加工姿态的修正问题和加工过程中奇异位置问题. 最后把修正好的工作环境模型参数导入到Ｒｏｂｏｔｓｔｕｄｉｏ软件进行可视化验证.     

六自由度机械臂运动学分析与轨迹优化

针对机械臂运动轨迹偏差较大的问题,采用D-H法建立模型,对六自由度机械臂进行了正、逆运动学的分析,基于机械臂关节轴的典型几何结构利用PIEPER准则推导逆运动学的封闭解;在笛卡尔空间中分析了直线插补和圆弧插补两种方法,通过对空间插值点的优化减小轨迹偏差,实现轨迹优化。仿真验证了算法的可行性,对机械臂在工业中的实际应用具有一定的指导意义。     

基于对数四元数的工业机器人Hermite样条曲线姿态插值

平滑的姿态规划对工业机器人工作质量、使用寿命有着重要的影响。以对数四元数为基础,提出一种从笛卡尔空间样条曲线映射到四元数空间的方法,从而实现四元数多姿态平滑插值。结合相关算例,详细介绍了笛卡尔空间Hermite样条曲线映射到时四元数空间的多姿态插值方法与步骤,验证了该方法进行四元数多姿态插值的合理性。提出的四元数多姿态平滑插值具有构造方法简单、易于实现、直观易理解的特点。该方法除了适用于Hermite样条曲线的四元数多姿态插值,还可延伸到贝赛尔曲线、B样条曲线等样条曲线上。     

基于NURBS的挖掘机器人时间最优轨迹规划

为提高挖掘机器人的工作效率,保证其运行轨迹平滑,提出了一种基于NURBS曲线的轨迹规划方法。利用5次NURBS曲线插值挖掘机器人关节位置,引入矢值函数,通过莱布尼茨公式求解NURBS曲线的高阶导矢,设定启停速度和加速度,得到经过指定关节位置加加速度连续的轨迹曲线。分析了NURBS曲线权因子在挖掘轨迹局部规划中的作用。采用序列二次规划方法求解约束条件下的非线性最小化问题,规划出时间最优轨迹曲线。仿真和试验表明:提出的轨迹规划方法能够得到满足物理约束的时间最优关节轨迹,且可进行轨迹局部优化。     

一种基于PUMA型机器人特殊结构的空间快速插值算法

针对ＰＵＭＡ型机器人的特殊结构，本文提出了把表征机器人位置和姿态的关节相互分离开来加以讨论，并分别对其进行插值的空间快速插值算法，使用该算法可避免出现三角函数、矩阵等复杂计算，同时，通过空间曲线分析，利用参数方程和坐标变换，给出了空间曲线的解析函烽，因此大大缩短了计算时间，插补精度得到较大提高。     

浅析机器人轨迹规划中关节空间轨迹的插值方法

介绍了机器人操作臂轨迹规划的概念及在关节空间进行轨迹规划的方法，重点讨论了关节轨迹的3种插值方法；三次多项式插值，过路径点的三次多项式插值和高阶多项式插值。     

数控激光加工机轨迹控制研究

本文针对光束移动式数控激光加工机轨迹控制特点，提出了一种插朴方法及控制方案，分析了提高插补运算速度和插补精度的方法以及插补控制的误差，给出了一种圆弧自动过象限的原理．并介绍了实施该方法的软件．     

机器人的平面曲线轨迹规划方法

提出了一种满足笛卡尔空间与关节空间混合约束的机器人平面曲线轨迹规划方法.在笛卡尔空间讨论了控制节点的选取,节点间运动时间的分配,以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法;在关节空间讨论了三次样条函数插值及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法.根据规划轨迹与要求轨迹偏离情况,非均匀地插入控制节点.通过增加有限的控制节点,有效地控制偏差,减少计算量.给出了完整的平面曲线轨迹规划算法.仿真实例验证了算法的有效性和可行性.     

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.     

Calibration of parallel kinematics machine using generalized distance error model

This paper focus on the accuracy enhancement of parallel kinematics machine through kinematics calibration. In the calibration processing, well-structured identification Jacobian matrix construction and end-effector position and orientation measurement are two main difficulties. In this paper, the identification Jacobian matrix is constructed easily by numerical calculation utilizing the unit virtual velocity method. The generalized distance errors model is presented for avoiding measuring the position and orientation directly which is difficult to be measured. At last, a measurement tool is given for acquiring the data points in the calibration processing. Experimental studies confirmed the effectiveness of method. It is also shown in the paper that the proposed approach can be applied to other typed parallel manipulators.     

3P-3R机械手曲面轨迹控制的粗插补算法

针对6自由度3P-3R型机械手臂的机械结构,提出了一种基于二次曲面双参数方程的空间轨迹粗插补算法.本文分析空间二次旋转曲面的产品数学模型,通过参数方程求解二次曲面各点在笛卡尔坐标系中的位姿矩阵,从而计算出机械手臂每个关节的电机旋转角度.由MATLAB软件进行验证,观测此二次曲面的粗插补算法的准确度和精确度,生成数据文件后进行6自由度3P-3R型机械手臂的轨迹控制.实验结果验证了此二次曲面粗插补算法对机械手臂目标轨迹控制的正确性和有效性.     

Trajectory planning of mobile manipulators in constrained workspace

The cooperative motion planning of nonholonomic wheeled mobile manipulators （WMM） with kinematic redundaney in the constrained workspace was studied. A trajectory planning method combining the probabilistic planning and the solving of inverse kinematic equations was presented. First, the probabilistie planning method was used to determine the guide configurations; then the switching objective function was defined and the path of the end-effector was constructed based on these guide configurations ; finally, the inverse kinematic equations of the WMM were solved using the gradient projection method, and the obstacle avoidance trajectory for joints of the WMM was obtained. Simulation results were given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

A Fast Approach for Time Optimal and Smooth Trajectory Planning of Robot Manipulators

In this paper, a fast approach to generate time optimal and smooth trajectory has been developed and tested. Minimum time is critical for the productivity in industrial applications. Meanwhile, smooth trajectories based on cubic splines are desirable for their ability to limit vibrations and ensure the continuity of position, velocity and acceleration during the robot movement. The main feature of the approach is a satisfactory solution that can be obtained by a local modification process among each interval between two consecutive via-points. An analytical formulation simplifies the approach to smooth trajectory and few iterations are enough to determine the correct values. The approach can be applied in many robot manipulators which require high performance on time and smooth. The simulation and application of the approach on a palletizer robot are performed, and the experimental results provide evidence that the approach can realize the robot manipulators more efficiency and high smooth performance.     

基于时间冲击最优的TBM换刀机器人轨迹规划

为了提高隧道掘进机(TBM)换刀机器人的工作效率,减小换刀过程中的运动冲击,提出基于改进型粒子群优化(PSO)算法的轨迹优化方法.采用位姿分离法与关节变量最小策略,对冗余关节机器人进行运动学分析.利用所求的逆解,将目标轨迹由笛卡尔空间映射到关节空间.针对每个关节使用5次NURBS曲线构造冲击连续的关节轨迹,以时间冲击最优构造目标函数,采用改进型PSO算法求解出最优时间序列,完成对轨迹的优化.通过对特定的换刀任务进行轨迹规划,得到各关节的优化轨迹.优化结果表明,提出的轨迹规划方法可以为换刀机器人各关节提供理想的轨迹,具有较强的轨迹跟踪能力.利用5次NURBS插值法与改进型PSO优化算法,可以保证轨迹的时间最短与冲击最小,提高了运行的效率与平稳性.     

基于SimMechanics的六自由度机械臂轨迹规划研究

针对机械手臂在运动过程中出现的不稳定现象,本文利用多项式插值规划关节空间的轨迹,并利用Matlab中的SimMechanics建立逆运动学仿真模型,由轨迹规划模块得到的各关节变量的角度、角速度和角加速度来驱动各关节运动;同时对机械手臂末端轨迹规划进行分析仿真。仿真结果表明,仿真模型输出轨迹和预定轨迹相吻合,利用仿真模型可以准确、有效地得到外骨骼康复机械手臂的运动参数和运动轨迹,并实现了机械手臂匀加速、匀速和匀减速的运动状态。该研究对六自由度外骨骼康复机械手臂结构设计提出了建设性意见,也为外骨骼康复机械手臂的分析设计提供了可靠依据。     

自由曲面砂带磨削轨迹规划与误差控制分析

砂带磨削是提高自由曲面工件型面精度和表面质量的重要手段之一,针对目前自由曲面砂带磨削加工在效率和精度方面存在不足,基于砂带磨削加工的特性,提出了一种基于加工精度控制的自由曲面砂带磨削加工的轨迹规划方法。首先,对实现无曲率干涉的接触轮半径及满足加工允差的接触轮宽度进行了公式推导,结合轮与曲面上加工点主曲率关系,通过双倍体的遗传算法优选出满足自由曲面要求的加工允差,并获取无曲率干涉加工需求的接触轮尺寸参数。然后,基于加工点的主曲率方向实现加工轨迹的自适应宽行距规划,同时采用柔顺处理算法对其点导动规划过程中当曲面存在扭曲时的磨头潜在的大幅往复摆动运动进行了柔顺处理,获得了行距稳定且满足加工时接触轮在磨削点处始终与自由曲面达到最佳贴合效果的磨削轨迹。最后,应用该方法对某航空发动机叶片型面进行轨迹规划,并在数控砂带磨床上进行了加工验证。结果表明：规划的磨削加工轨迹能够使得叶片轮廓截面精度较好地满足加工要求,提高了叶片型面的表面质量和精度,证实了该方法的有效性和实用性。本文提出的轨迹规划方法可科学合理地控制曲面预期加工允差,解决了在自由曲面砂带磨削过程中因接触轮尺寸参数选择不当而引起的局部干涉的计算难题,能够有效提高砂带磨削加工的效率和精度。     

基于INSGA-Ⅱ算法的机械手多目标轨迹规划

针对机械手时间最优、能量最优、平滑性最优等多目标下的轨迹优化问题,设计新的多目标轨迹优化方法.采用高次B样条曲线插值方法,构造机械手高阶连续且起始和终止的运动参数均可指定的关节轨迹, 保证了机械手运动性能.采用改进非支配排序遗传算法 （INSGA-Ⅱ）对机械手轨迹进行优化,得到一组Pareto最优解集,该算法采用一维Logistic映射产生初始种群并利用不可行度选择操作处理约束条件.在6自由度串联机械手上的计算结果表明,采用高次B样条轨迹规划方法可以得到高阶连续的机械手分段轨迹,采用INSGA-II方法可以对B样条轨迹实现有效的多目标寻优,得到理想的Pareto分布,为用户提供较多的选择.