重力补偿的机械臂轨迹跟踪研究

针对隧道掘进工程中某喷涂机械臂的控制精度问题,研究了基于重力补偿的机械臂PD与PID的控制方法。分析了这两种机械臂轨迹跟踪算法的稳定性与收敛性:基于重力补偿的PD控制算法是全局渐进稳定的,而PID控制算法在某些条件下是半全局渐进稳定的。计算机仿真结果表明,PD控制关节最大误差为0.14rad,PID控制关节最大误差为0.05rad,这两种算法都能够实现机械臂运动轨迹的准确跟踪,满足机械臂的位置控制要求,表明控制方法的有效性。     

一种机械臂运动学研究及3D 仿真平台构建

针对川崎机械臂FS03 N的构型特点,提出了一种逆运动学的求解方法。采用DH法建立了机械臂的连杆坐标系,得到正运动学方程,通过变量分离将机械臂姿态采用欧拉角表示,得到了机械臂位姿的一组广义坐标。通过对FS03N的构型分析,采用几何法与反变换法相结合的方法,以解的组合关系为基础,得到了机械臂的8组封闭解。建立了基于Matlab的机械臂算法验证与3D仿真运动平台,验证了逆运动学解算的正确性,为机械臂的轨迹与路径规划提供了前提条件。     

基于多传感器信息融合的人体姿态解算算法

针对传统人体姿态解算算法中存在的稳定性差和解算精度低等问题,提出一种基于多传感器信息融合的姿态解算算法。利用四元数计算人体的姿态变化,将惯性测量模块的姿态测量值与观测值之间的偏差通过PI调节进行控制;采用互补滤波对多传感器数据进行融合,求取人体实时姿态。实验表明,该算法能够实现稳定地输出高精度姿态数据。     

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。     

望远镜主镜位置解算算法研究

利用位移传感器测量望远镜主镜相对镜室的相对位置时,需要设计算法将传感器测得值解算为主镜的姿态和位置信息。本文对已有的算法进行了改进,从空间解析几何角度出发研究了主镜位置解算算法,并分析了传感器安装位置偏差对解算精度的影响,发现传感器安装径向尺寸误差对解算精度影响较小,而安装角度误差影响较大,并得到最佳的传感器安装角度为30°,从而得到最佳的传感器布局和解算方法。     

基于Kalman滤波算法角度测量信号融合技术研究

针对车载激光通信转台姿态角控制中陀螺仪传感器存在漂移误差等问题,提出了以陀螺仪传感器和加速度传感器作为测量元件对车载转台的姿态角进行测量的方法,并在MATLAB软件平台上建立卡尔曼滤波器将传感器采集的信号进行融合,以加速度传感器输出的姿态角信息对陀螺仪测量的姿态角进行修正、补偿,以提高姿态角测量的精度。通过建立试验系统完成测试,结果表明：应用Kalman滤波算法对陀螺仪和加速度传感器信号进行融合后,有效地减小姿态角的测量误差,为准确获得转台姿态角信息提供了理论依据。     

MEMS惯性传感器融合的水平姿态解算方法

为获取惯性导航系统的姿态信息,针对MEMS惯性测量单元,设计了基于多传感器信息融合的水平姿态解算方案.在此基础上,提出了一种基于卡尔曼滤波的解决方案:利用陀螺仪测得的角速度更新前一步的姿态角,利用加速度计对重力矢量的观测修正陀螺仪给出的姿态角信息.设计了水平姿态解算试验平台以验证该算法,采用姿态航向参考系统AHRS500GA提供精确姿态角对解算结果进行对照,试验结果表明:在静态、动态条件下该算法均能准确地得到实时水平姿态角,其误差一般小于1°.     

基于四元数互补滤波算法的车载MIMU

针对MEMS惯性器件由于测量精度低、数据易漂移而导致车载惯性导航系统姿态解算数据不稳定和精度不高的问题,设计一种基于四元数互补滤波算法的高精度车载MEMS惯性测量单元(MIMU)。通过四元数算法降低MIMU在运行过程中的计算难度,解决姿态解算中的奇点问题。利用互补滤波算法对惯性传感器运行过程中的高低频误差进行动态补偿、数据融合,减小陀螺仪积分漂移累加,抑制加速度计振动误差,实现多传感器数据融合的MIMU姿态解算。将MIMU放置于高精度无磁转台上进行动态测试,通过设置转台运行动作模拟车载环境,采集并分析MIMU在动态环境中的各个轴向角实时数据与误差数据。试验结果表明,MIMU横滚角精度为0.26°,俯仰角精度为0.23°,航向角精度为0.51°。     

用实时小波分析消除噪声的动态测量误差补偿

在传感器的输出端串接一个动态补偿环节来改善传感器性能,消除动态测量误差.补偿环节本质上是一个带通或高通滤波器,在补偿动态测量误差的同时,会引入严重的高频噪声干扰,影响测量系统的精度.为了解决该问题,研究了一个采用实时小波滤波算法,消除动态测量误差补偿中噪声干扰的方法.该方法采用实验数据,通过系统辨识的方法得到补偿环节系数,消除动态测量误差.同时,用正交紧支撑小波和滑动数据窗口,构造一种保留离线小波降噪优点的实时小波降噪算法,消除噪声干扰.最后,通过对薄膜热电偶动态测量误差补偿的仿真实验,验证了该方法的有效性.     

微型无人直升机姿态测量系统设计与实现

为补偿载体运动加速度对基于加速度计和磁传感器的低成本姿态测量系统造成的影响,将GPS速度差分得到的运动加速度信号引入到比力矢量观测方程.通过构建线性虚拟观测方程,将带观测滞后的非线性系统滤波问题转换成带时间相关测量噪声与状态相关噪声的线性系统滤波问题,同时给出了相应的线性Kalman滤波算法并将该算法应用于微型无人直升机的姿态测量系统.实验结果表明,该姿态测量系统可有效减小运动加速度的影响,显著提高机动环境下无人直升机飞行姿态的测量精度.     

基于多步时延的可重构机械臂并发故障分散容错控制

基于Lyapunov稳定性理论和可重构机械臂的模块化属性,针对非故障系统设计了分散反演神经网络控制器,并采用自适应神经网络系统补偿子系统关联项对系统控制精度的影响。通过引入一阶滤波器将传感器故障转化成伪执行器故障,从而得到增广故障子系统模型,进而采用多步时延技术补偿并发故障,实现容错。两种不同构形的2-DOF可重构机械臂系统的仿真结果表明了所设计分散容错控制方法的有效性。     

利用虚拟传感器的巡视器机械臂碰撞检测算法

为提高传统AABB树碰撞检测的精度和效率,提出一种基于虚拟传感器的月面巡视器机械臂碰撞检测算法.建立月面巡视器机械臂的逆运动学解算模型;对地面环境点云数据进行Delaunay三角化,采用多叉树代替二叉树作为AABB树储存环境点云三角面集;利用虚拟传感器简化巡视器机械臂结构模型,通过虚拟传感器遍历AABB树中的环境点云三角面集进行碰撞检测,避免机械臂与环境发生干涉.月面巡视器就位探测任务内场实验表明:基于虚拟传感器的月面巡视器碰撞检测算法使碰撞检测精度在1 mm内,碰撞检测时间降低至10 s内.基于虚拟传感器的碰撞检测算法具有高效性和可行性.     

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.     

基于GWLN方法的冗余机械臂关节力矩约束控制

针对冗余机械臂受到的关节驱动力矩有限的约束,提出基于广义加权最小范数法(GWLN)的算法.通过引入辅助变量,考虑重力和科里奥利力的影响,排除现有方法对机械臂低速运行的假定.在逆运动学求解时,对扩展变量的加权范数优化,使得规划关节加速度所需的力矩指令保持在驱动器输出范围之内.该算法的有效性通过数学证明得到验证.在MATLAB ROBOTIC TOOLBOX中对PUMA560机械臂的仿真结果证实,基于GWLN方法控制的机械臂在遵循关节力矩约束的同时,准确地完成操作任务.同零空间力矩优化方法及现有加权方法的仿真结果对比显示,基于GWLN方法的控制算法能够更加有效地保证力矩约束,具有更好的稳定性.     

大型龙门铺丝机综合误差建模及补偿

为了提高大型龙门自动铺丝(AFP)机的精度,提出重力变形与几何误差综合建模与补偿方法. 采用有限元法对龙门铺丝机进行静力学分析,通过工作空间网格化方法建立重力变形模型;基于齐次变换矩阵与切比雪夫多项式建立几何误差模型,结合剔除重力变形的测量数据与Powell算法实现对几何误差参数的辨识;综合重力变形模型和几何误差模型,提出基于综合误差补偿的G代码修正策略. 在龙门铺丝机上开展综合误差补偿对比实验,结果表明,补偿前龙门铺丝机误差较大,不能完全满足铺放精度需求,而经过补偿后位置误差和姿态误差均大幅度降低,其中姿态误差减小80%以上,而位置误差减小90%以上,满足铺放精度需求,证明了所提出的综合误差建模和补偿方法的有效性.     

六自由度柔性测量臂关节零位偏差标定算法研究

多关节柔性测量臂的关节零位偏差是由于装配引起的系统误差,对测量精度的影响极大.采取高精度的标定方法,获得关节零位偏差的实际值,然后对关节转角的理论值进行补偿,可以提高测量精度.首先应用D-H建模方法,建立了六自由度柔性测量臂的测量模型,在测量模型的基础上,应用全微分法建立了基于关节零位偏差的误差模型,然后用最小二乘法和迭代算法,建立了柔性臂关节零位偏差的线性标定方法,最后通过Matlab仿真验证了该标定算法的正确性.     

基于启发式采样算法的二自由度机械臂轨迹规划

针对传统的采样类轨迹规划算法存在随机性、计算效率低等问题,根据机械臂运动学约束,给出关于关节空间的启发式采样轨迹规划算法。采用拉格朗日法建立二自由度机械臂的动力学模型,以角加速度为采样对象,通过积分器采集角速度与角度位移进行转矩的实时检测,结合启发式采样算法,实现给定目标位姿的轨迹自动规划;且对机械臂两关节在不同负载下的运动位置、速度在MATLAB中进行仿真,并与传统的B-spline轨迹规划方法比较。结果表明,启发式采样算法可实现不同负载下给定目标位姿路径的自动规划,且在时效性及路径规划上具有优越性。     

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。     

MEMS陀螺随机误差补偿在提高姿态参照系统精度中的应用

为提高航姿系统姿态角测量精度,论文对MEMS陀螺随机误差的测试和补偿进行了研究。运用Allan方差方法分析了MEMS陀螺各项随机误差的特性,建立了针对MEMS陀螺的随机误差补偿模型。采用Allan方差辨识算法完成对各项随机误差的分离,获取速率随机游走(RRW)和角度随机游走(ARW)噪声方差值。通过设计的卡尔曼滤波器对MEMS陀螺随机误差进行实时估计补偿,利用姿态解算算法得到随机误差补偿前和补偿后各3个方向的姿态角。实验结果表明经误差补偿后系统的静态偏航角测量精度提高了3倍、横滚角提高了4倍、俯仰角提高了12倍。     

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。