双机械臂协作最优装配位置及多目标轨迹优化

为了解决以传统人工示教方式确定双机械臂协作装配位置的局限性和随机性,以双机械臂轴孔协调装配为工程背景,针对协作装配过程中机械臂的整体运动灵活性和轨迹规划,采用粒子群算法进行多次寻优,求解整体全局灵活性最优的装配位置,并基于最优位置进行了多目标轨迹优化。分析了双机械臂协调装配过程中的运动约束关系,以可操作度为灵活性评价指标,提出了双机械臂协作装配系统的可操作度评价方法,以此构建优化目标函数,采用粒子群算法,在双机械臂协作空间中求取系统全局可操作度最优的装配位置;基于灵活性最优位置,采用多目标粒子群算法,以时间、能耗、冲击为目标进行了轨迹优化,并在Matlab机器人仿真平台进行了仿真分析。结果表明,将灵活性指标运用到轨迹规划中,能提高机械臂作业效率,降低能耗与冲击损耗;且整个运动过程可维持较高可操作度,能有效规避传统人工示教方式的随机性,实现双机械臂协作装配的最优灵活性轨迹规划。     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。     

GIS检测操作臂的结构设计及优化

针对GIS检测移动操作臂的作业要求,首次开展了一种五自由度操作臂的结构设计与优化。首先通过分析GIS检测的任务要求,完成操作臂构型尺度设计;假定均质杆件和集中负载,建立机械臂力学模型,基于抗弯截面系数的平方与截面面积的三次方比值最优完成主操作臂的截面形状和截面尺寸的设计;建立三维实体模型,基于有限元方法完成操作臂在不同工况下的应力分析,在此基础上,采用遗传算法对操作臂进行结构优化。优化后的结构尺寸使操作臂的质量明显减小且能够保证足够的强度和刚度。     

基于变胞机构的性能可变机械臂研制

为研制一种用于铝合金铸件打磨、抛光的机械臂,将3-UPS机构作为初始构型,通过定义运动灵活性和静力承载能力评价指标,揭示出3-UPS机构的尺寸参数与其运动学、静力学评价指标之间的关系,表明:随着尺寸参数的取值变化,3-UPS机构的运动灵活性和静力承载能力变化规律相反,如果要追求其中一种性能,就必然导致另一种性能降低。为了使机械臂的构型、最优机构学性能可以根据不同工况而实时改变,在3-UPS机构每个分支与固定平台之间增加1个移动驱动副,提出一种基于3-PUPS机构的超冗余机械臂,该机械臂可以通过对各分支电动机抱闸锁定的组合实现变胞而得到31种新构型,当其处于3-UPS构型时还可以通过改变固定平台万向副分布半径数值,实时选择性调整运动灵活性最好、或静力承载能力最强。对超冗余3-PUPS机构进行了运动学和静力学建模与分析,揭示了其运动灵活性和静力学传递性能的分布规律。结合打磨、抛光工艺制定出机械臂在不同工况的变胞规则、变尺寸规则,实现了机械臂在不同工况具有不同的自由度状态和最优性能。研制出超冗余机械臂的试验样机,通过一套综合试验系统验证了其变胞构型的可实现性,并测量出其处于3-UPS构型时的定位误差,试验表明:机械臂的运动平台的位置误差均小于0.4 mm,姿态误差均小于0.45°,基本达到了通用式工业机器人的精度水平。     

空间机械臂末端力/位容错过程中关节参数突变抑制

为了实现空间机械臂关节失效后容错操作,提出了空间机械臂末端力/位容错过程中关节参数突变抑制方法。基于机械臂关节空间和操作空间的力/速度映射关系,分析空间机械臂末端力/位容错条件,建立机械臂末端容错运动学和动力学方程;进而将运动学可操作度和动力学可操作度分别引入机械臂容错运动学和动力学方程,在此基础上建立机械臂末端力/位容错过程中的关节参数突变抑制优化函数,并利用粒子群算法实现对优化函数的求解。仿真结果表明,该算法能够在实现空间机械臂末端力/位容错的同时有效抑制关节速度和力矩突变。     

采用混合算法优化的并联机械臂能量消耗与误差仿真研究

针对并联机械臂存在能量消耗严重、运动轨迹跟踪精度较低等问题,采用了混合算法优化并联机械臂运动机构,并对优化结果进行仿真验证.建立并联机械臂运动机构简图模型,推导齐次变换矩阵运动方程式,给出并联机械臂8种运动模式.确定并联机械臂运动的设计变量,构造能量消耗优化目标函数,在约束条件下,采用混合算法优化目标函数.用PID控制方法,在运动模式1状态下,通过Matlab软件将优化结果进行仿真验证.同时,与优化前的仿真结果进行对比和分析.仿真结果表明,优化后主动连杆消耗的能量较少,被动连杆运动轨迹跟踪所产生的误差较小.并联机械臂采用混合算法优化后,能够减少并联机械臂运动机构能量消耗,提高运动轨迹的追踪精度.     

排爆机器人五自由度操作臂灵活度优化方法

针对传统机器人操作臂灵活度优化方法忽略了获取机器人雅克比矩阵奇异值,导致操作臂灵活度过程效率降低,排爆准确度得不到明显提高。提出排爆机器人五自由度操作臂灵活度优化方法。首先对操作臂构造动力学模型,获取拉格朗日动力学方程及相关参数,对姿态概率系数和可操作度进行描述。以五自由度操作臂工作球为基础分析操作臂姿态概率系数;针对操作臂的可操作度,通过排爆机器人雅克比矩阵奇异值实现构造,建立操作臂在工作空间内的灵活度优化目标函数,通过遗传算法对目标函数进行求解,实现排爆机器人操作臂灵活度的优化。实验结果表明,所提方法优化性能佳,可有效提高操作臂灵活度。     

空间7R冗余度机械臂运动灵活性的研究

分别用条件数和可操作度两个灵活度指标对空间7R冗余度机械臂进行了运动规划,分析了基于不同指标的末端轨迹的异同.研究结果表明:就末端轨迹而言,初始点最优是一种有效的规划方法;条件数的优化能力要强于可操作度;当规划进入优化解域时,指标函数逐点最优曲线的波动会使机械臂末端产生突跳现象.     

基于主成分分析法的机械臂运动灵活性性能综合评价

在机械臂运动灵活性性能评价中,表示机械臂灵活性的指标众多,而不同指标间往往存在不同程度的相关性,其中有些相关性非常显著,这使它们提供的信息有可能发生重叠。运用主成分分析综合处理可以产生新的指标,而这些新的指标彼此互补相关又能综合反映机械臂灵活性性能的情况。通过应用主成分分析逐步降维综合处理的特性对同一构型不同尺度的平面2R和三种不同构型的空间3R机械臂运动灵活性性能进行综合评价,得到各种运动灵活性指标之间的相关性。分析结果表明,平面2R和PUMA型空间3R机械臂的5个单一灵活性指标正相关,优劣变化趋势相同,可以用1个综合灵活性性能指标代表5个单一性能指标的信息。其他两种空间3R机械臂5个单一灵活性指标有正相关,有负相关,可用1个变量代表机械臂各向同性指标的信息,1个变量代表机械臂运动能力指标的信息。     

采摘机器人奇异位型分析

对采摘机器人机械手臂工作空间内的奇异位型进行了分析。首先,采用D-H参数,建立了采摘机器人机械臂的坐标系图,得到其正运动方程;其次,结合机器人手臂正运动方程,构造其雅可比矩阵,再基于雅可比矩阵,求解机械手臂出现奇异状态的所有构型情况,得到所有奇异点;最后,应用Robotics工具箱,基于可操作度灵活性指标和最小奇异值灵活性指标对机械臂的奇异情况进行仿真分析。仿真结果表明,研究的机械手臂共有3种内部奇异情况,同时验证了机械手臂奇异位型求解的正确性,为后续机械手臂的轨迹规划研究和奇异点规避研究奠定了基础。     

辅助性机械臂的设计与运动学分析

设计了一种四自由度轻型臂,首先确定了机械臂构型,用MATLAB软件生成了机械臂工作空间云图,利用UG设计各部件的三维模型装配成整机模型,根据设计结果制造了一台四自由度轻型臂;后面着重进行了运动学正逆解的求解,根据解的结果并编写了求解器,然后结合MATLAB机器人工具箱进行了机械臂的仿真与验证。     

基于旋量理论的冗余机械臂运动学奇异性求解和仿真分析

针对7轴协作型库卡机械臂,对其工作空间内机械臂的奇异构型进行求解和仿真分析。首先,建立机械臂的运动学模型,得到其DH参数;然后,基于螺旋理论求解机械臂的雅可比矩阵,利用螺旋互反方法求解机械臂的奇异构型;最后,基于可操作度指标和最小奇异值指标,利用机器人工具箱对机械臂末端参考点的灵巧性进行分析。结果表明,7轴协作型库卡机械臂在其工作空间内存在4种奇异条件。仿真结果进一步验证了分析的正确性,为后续的机械臂奇异性避免算法研究奠定了基础。     

模架式关节型机械操作臂的设计研究

根据轴孔装配机器人对机械操作臂的基本要求,在对机械操作臂传动机构进行分析的基础上,运用模块化设计思想对关节型机械操作臂进行模块化设计探讨,并简要介绍了其设计过程和结果。     

管道清灰机器人操作臂优化设计模型的建立

为使管道清灰机器人操作臂机构的优化设计过程简化,经分析管道清灰机器人操作臂的特点,将其分解为六连杆转斗机构和举升机构两大功能相对独立的子机构。通过选取对操作臂性能影响最大的初始铲取位置时的传动比的倒数为目标函数,以边界约束、性能约束、运动协调性约束、油缸稳定性约束等为条件,建立了管道清灰机器人操作臂优化设计数学模型。应用Matlab/Simulink软件编制了优化计算程序,分析得到了管道清灰机器人操作臂的优化尺寸参数。为管道清灰机器人的整体优化提供了思路,同时,为今后此类六杆机构的设计提供一定的理论依据和方法。     

基于RBF神经网络和二次规划的冗余机械臂避障问题研究

针对冗余机械臂的运动灵活性问题,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络模型和二次规划技术的避障方法。该方法通过建立避障模型来对障碍物和机械臂的关节转角极限等约束进行描述,通过采用调整神经网络输出权值的方法使机械臂逐渐达到最佳运动构型;结合Lyapunov稳定性分析原理,验证了该方法的有效性;利用预选关键杆件方法和离线训练出了机械臂在任意构型下的网络权值模糊查询表,极大地提高了网络的收敛速度,从而可以将该方法应用到机械臂的动态避障规划中;最后,利用一种新型7自由度机械臂对该方法进行了仿真验证,并结合基于雅克比矩阵伪逆的方法进行了对比研究。研究结果表明,该方法计算效率高,适合解决使机械臂在准确跟踪轨迹的同时避开关节转角极限和避障的问题。     

基于脊线自修正的蛇形机械臂逆运动学求解

绳索驱动的蛇形机械臂具有超冗余的运动特性,提高了自身的灵活性及避障能力。但由于机械臂存在大量的自由度,这使得其逆运动学求解变得非常复杂,导致难以实现实时运动规划。因此,文中提出了一种新型的蛇形机械臂逆运动学求解方法,通过优化脊线及关节角度求解,实现了机械臂高效和实时的运动规划。首先,搭建了蛇形机械臂运动学模型,建立了蛇形机械臂关节空间与工作空间的映射关系;之后,提出了基于多种群蚁群优化的参考脊线求解策略,并设计了移位修正法确定多任务点脊线的空间构型,减少了脊线复杂求解的计算。此外,通过考虑拟合信息和关节约束,设计了一种结合并行趋近式规则的关节优化调整方法,推导出了蛇形机械臂的关节角度,实现了关节的连续性变化。结果表明：所提出的逆运动学求解方法可以有效降低计算复杂度,保证关节角度的有效性和连续性,以及末端位姿信息的精确性。     

卫星天线臂结构优化设计的分级遗传算法

为满足刚度大、强度高、质量小的设计要求,本文针对卫星天线臂的结构优化设计提出了分级遗传算法。首先,依据设计与制造要求,将天线臂结构优化设计分解为拓扑构型与杆件尺寸两级优化问题。然后,将单元材料相对密度作为基因,整体结构的相对密度作为染色体,将刚度与质量转化为适应度函数,形成拓扑构型的遗传算法。其次,在保持拓扑构型不变的条件下,将组成拓扑构型的各杆件的剖面面积作为设计变量,杆件结构的质量作为目标函数,形成杆件尺寸优化模型,通过引入遗传算子,形成第二级遗传算法。最后,给出了某卫星天线臂结构优化设计实例,证实了本文分级遗传算法的有效性。     

可重构式机械臂运动构型与关节控制系统研究

为了服务于我国空间战略实施计划，从解决空间站复杂多样的在轨任务出发，分析任务特点， 利用已经建立的机械臂模块库中的各类运动模块搭建机械臂构型。针对机械臂构型分析关节运动特点，设 计关节控制器，并采用Ｚ- Ｎ 法结合遗传算法优化关节控制器控制参数，并对该方法进行了仿真验证，说明 该方法的可行性。     

可重构空间故障容错机械臂设计

从机械臂运动学的角度，定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂和特定任务故障容错机械臂，论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性，故障容错机械臂所应该具备的自由度数，以及针对不同的任务要求，设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点，建立机械臂参数与理想值相关的罚函数，选择有效的优化算法，设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂，通用一阶故障容错空间位置机械臂，以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂，建立起完整的故障容错机械臂的设计方法。     

冗余度机械臂关节运动和末端运动的同步容错规划

给出了可操作度这一运动灵活性指标新的物理解释,在此基础上进一步分析了退化可操作度这一容错性能指标的物理含义,由此得到了反映容错空间和实际操作度大小的臂长和转角这两种新的容错性能指标;利用它们对平面3R机械臂进行了关节运动和末端运动同步容错规划的仿真研究。研究结果表明,转角指标的最大化有利于避免发生故障时刻的退化机械臂出现奇异位形;而臂长指标有利于避免该退化机械臂在故障发生后的运动中出现奇异位形。