机器人机构的优化综合

应用最优化技术进行机器人的精度综合，确定能满足绝对位姿精度和重复位姿精度要求，并可使公差制造成本最低的最优连杆参数公差和关节伺服定位精度。在误差概率分析的基础上，建立了机器人机构精度概率优化综合的数学模型。     

基于吸盘负压吸附的六足爬墙机器人关节转矩优化分配

针对采用吸盘负压吸附的六足爬墙机器人在多种运动模式下的关节转矩分配问题,提出基于总能耗目标优化的转矩分配方法.在确定吸盘翻转力矩约束、实现关节转矩与足底接触力转换的基础上,推导机器人动力学模型,进而用Moor-Penrose逆矩阵法和简体爬山算法求解总能耗最优目标下的机器人总功率与机器人各运动模式下各位姿(表现为各关节转角)之间的关系.该方法能有效适应爬墙机器人的多种运动模式,提高了机器人的环境适应能力.实验样机仿真结果表明,所提出的算法简单有效、实现方便,并且能有效确定站立模式最小总能耗位姿,以及在设定的侧立安全指标范围内的侧立最安全位姿.     

工业机器人运动学参数标定的位姿点集优化研究

针对工业机器人标定时因位姿点选择随机导致标定结果不稳定的问题,开展了位姿点集优化方法研究。首先,以可观测指数O_1为依据,通过随机搜索算法确定最优位姿点的数目;其次,提出改进最优点集选择算法用于筛选最优位姿集。通过对EFORT ER10L-C10和Staubli TX60机器人进行标定实验,结果表明:采用优化初始位姿集能够将改进最优点集选择算法运行效率提高约12%,与随机位姿集标定结果相比,经最优位姿集标定后的机器人其测试集平均绝对位置精度提升约9%,EFORT ER10L-C10和Staubli TX60机器人运动学参数的泛化能力分别提高91%、53%,证实了提出方法可获得泛化能力更强的运动学参数,使标定结果更加稳定,进一步提高机器人标定精度,适于在大范围、高精度机器人作业中推广应用。     

基于遗传算法的机器人加工位姿优化研究

针对工业机器人的加工效果具有位姿依赖性这一特点,基于机器人性能评价指标和遗传算法提出一种优化机器人加工位姿的方法.建立机器人正运动学模型和静刚度模型并选取机器人运动性能评价指标和刚度性能评价指标;通过蒙特卡罗法得到机器人运动性能、刚度性能在关节空间和笛卡儿空间的分布图,通过分布图研究机器人各关节对机器人运动性能、刚度性能的影响;基于机器人运动性能评价指标和刚度性能评价指标设计适应度函数,使用遗传算法对机器人加工位姿进行优化,优化后机器人性能得到了提升.     

基于双高斯过程的协作机器人自适应策略

为适应目标物体位姿的变化,实现运动的平滑性,提出一种机器人自适应策略,在位姿适应和轨迹调整两个环节上各建立一个高斯过程模型。位姿适应的高斯过程通过线性协方差函数将观测变量和机器人关节变量关联,避免了视觉系统的校正和机器人运动学逆解;轨迹调整的高斯过程利用高斯核函数计算关节轨迹点之间的协方差,使调整后的机器人轨迹更加平滑。通过UR3机器人在有障碍物下的自适应抓取实验,证明了所提方法既能够适应目标物体的位姿变化,又能得到平滑的关节运动。     

油罐内喷漆机器人位姿误差补偿的摄动建模与仿真

从摄动齐次变换出发,通过对机构各原始误差的小位移矢量进行合成,系统讨论了机器人手部的位姿误差。进一步通过将补偿摄动运动在各单自由度关节上的分配,建立了ＬＸＲ－Ⅱ型内喷式机器人的误差补偿模型。对系统补偿前后的位姿精度进行了仿真。     

改进B样条插值法的焊接机器人关节轨迹优化

为了提高汽车车身焊接过程中焊接机器臂轨迹的平稳性和精确度,在B样条插值法为基础上,建立三次B样条曲线数学模型,为使该曲线通过各焊点所对应的焊接机器臂关节空间位姿,反算曲线控制顶点,并对通过在控制顶点两侧添加辅助控制点的方法对机器人各关节进行轨迹优化,以提高机器人运动过程的平滑性.在MATLAB平台进行仿真实验并与三次样条插值法进行对比,优化结果表明,各关节在焊点附近的速度、加速度曲线变得更加平缓,验证了该方法的有效性.     

一种主被动式辅助腹腔镜手术机器人的运动学分析

从临床应用的角度出发,提出了一种6自由度的主被动式辅助腹腔镜手术机器人.3个主动关节由步进电机驱动.实现机器人末端空间位置的变换,被动姿态关节无驱动安装在小臂末端,在机器人主动关节的带动下实现随动运动,用于手术中腹腔镜姿态的调整,被动姿态关节的设计使机器人更加符合实际手术的要求.建立了腹腔镜的位姿模型并求出了腹腔镜实现锥形位置空间和腹腔镜轴向位移的位姿逆解,运用MATLAB对机器人进行了运动学仿真研究,仿真结果表明,机器人能够很好地完成腹腔镜位姿调整及保持的任务.     

KUKA工业机器人位姿测量与在线误差补偿

工业机器人因其良好的重复定位精度而被广泛应用于堆垛、搬运、焊接等工业领域,但其绝对定位精度低,限制了其在高精度制造领域的应用。通过构建工业机器人误差测量与在线补偿闭环控制系统,对工业机器人的误差进行在线补偿。该方法综合考虑了几何参数和非几何参数引起的误差,提高了其位姿精度。研究基于KUKA机器人传感器接口(Robot sensor interface,RSI)进行位姿误差补偿的性能。通过研究KUKA机器人末端姿态的表示方式,提出一种基于激光跟踪仪测量工业机器人末端姿态的方法,并设计试验研究机器人在其工作空间的位姿误差特点。对搭建的闭环控制系统进行位姿误差补偿试验验证了该系统的位姿补偿效果。试验结果表明,经过第二次在线误差补偿后,其绝对定位精度由原先的0.628 mm提升到0.087 mm,姿态精度接近0.01°。     

机器人实际几何参数识别与仿真

机器人末端位姿的精度依赖于各连杆几何参数的精度,为了提高机器人的位姿精度,需要对机器人进行标定。讨论了运动学模型的建立方法,基于修正的ＤＨ模型和微分变换关系推导出机器人实际几何参数识别的全部公式。该方法要求测量各关节角的码盘数值和机器人的基坐标系下的位姿。     

Error Modeling and Sensitivity Analysis of a Parallel Robot with SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm） Motions

Parallel robots with SCARA（selective compliance assembly robot arm） motions are utilized widely in the field of high speed pick-and-place manipulation. Error modeling for these robots generally simplifies the parallelogram structures included by the robots as a link. As the established error model fails to reflect the error feature of the parallelogram structures, the effect of accuracy design and kinematic calibration based on the error model come to be undermined. An error modeling methodology is proposed to establish an error model of parallel robots with parallelogram structures. The error model can embody the geometric errors of all joints, including the joints of parallelogram structures. Thus it can contain more exhaustively the factors that reduce the accuracy of the robot. Based on the error model and some sensitivity indices defined in the sense of statistics, sensitivity analysis is carried out. Accordingly, some atlases are depicted to express each geometric error’s influence on the moving platform’s pose errors. From these atlases, the geometric errors that have greater impact on the accuracy of the moving platform are identified, and some sensitive areas where the pose errors of the moving platform are extremely sensitive to the geometric errors are also figured out. By taking into account the error factors which are generally neglected in all existing modeling methods, the proposed modeling method can thoroughly disclose the process of error transmission and enhance the efficacy of accuracy design and calibration.     

基于试验与仿真联合分析的喷涂机器人轨迹精度可靠性研究

采用链驱动的喷涂机器人易于实现本体的轻量化、末端高灵活度与正压防爆系统设计,从而满足家具、钢结构等一般涂装行业对喷涂机器人工作空间与腕部灵活度的要求,深入分析链驱动机器人的运动可靠性对喷涂质量和效率的提高具有重要意义。针对链驱动喷涂机器人的运动可靠性问题,采用一种基于试验与仿真联合分析的机器人末端轨迹精度可靠性分析方法。以旋量法为基础建立了喷涂机器人本体和喷枪的运动学模型,从工业机器人的操作臂性能和运动规律的角度出发,研究了喷涂机器人运动精度的影响因素。分析了链驱动喷涂机器人的优缺点和末端轨迹精度的影响状况,并结合机器人本体的运动学参数,建立了基于随机变量的喷涂机器人运动误差模型。通过试验结果的分析来确定影响喷涂机器人运动误差的随机变量的分布特征,从而对机器人末端轨迹精度的运动可靠性进行更加精确的仿真分析。最后,通过喷涂机器人工作平台对末端轨迹精度的运动误差进行试验验证并与传统的仿真分析方法进行对比,结果显示该分析方法更准确。研究成果为进一步分析喷涂机器人的机构优化、轨迹规划和漆膜质量提供试验基础和理论依据。     

COMBINING INTERNAL AND EXTERNAL ROBOT MODELS FOR IMPROVED MODEL PARAMETER ESTIMATION

Experimental robot identification techniques can principally be divided into two categories, based on the type of models they use : internal or external. Internal models relate the joint torques or forces and the motion of the robot; external models relate the reaction forces and torques on the bedplate and the motion data. This paper describes how internal and external robot models can be combined into one identifiable minimal model. This model allows to combine joint torque/force and reaction torque/force measurements in one parameter estimation scheme. This combined model estimation will yield more accurate parameter estimates, and consequently better actuator torque predictions, which is shown by means of a simulated experiment on an industrial robot (KUKA IR 361). This increased accuracy is quite interesting in view of using advanced control algorithms such as computed torque control.     

Kinematic calibration of precise 6-DOF stewart platform-type positioning systems for radio telescope applications

The pose accuracy of a parallel robot is a function of the mobile platform posture. Thus, there is no a single value of the robot’s accuracy. In this paper, two novel methods for estimating the accuracy of parallel robots are presented. In the first method, the pose accuracy estimation is calculated by considering the propagation of each error, i.e., error variations are considered as a function of the actuator’s stroke. In the second method, it is considered that each actuator has a constant error at any stroke. Both methods can predict pose accuracy of precise robots at design stages, and/or can reduce calibration time of existing robots. An example of a six degree-of-freedom parallel manipulator is included to show the application of the proposed methods.     

基于约束关系的服务机器人双臂协同运动控制研究

为了提高家居服务机器人在双臂协同运动作业时的准确性和安全性,提出了一种基于约束关系的双臂协同运动控制算法。通过对机器人双臂坐标系模型的建立以及运动学正逆解的分析,结合双臂运动中位置、姿态及各关节速度之间的约束关系,实现了机器人较精确的双臂协同运动。本算法已经成功应用于所研究的家居服务机器人,实验结果表明,算法具有精确度高、实时性好的特点。     

欠驱动弹跳机器人最优运动姿态的驱动器配置

研究了具有一个被动关节的三关节单腿欠驱动弹跳机器人的轨迹规划问题。首先建立欠驱动机器人在着地阶段的动力学模型;然后采用数值迭代的方法,以主动关节驱动力矩最小为优化目标,得出了机器人各关节转角的运动规律;最后通过仿真得到三种驱动器配置情况下机器人的关节转角运动规律、姿态图以及驱动力矩,并对其进行了分析比较。结果表明：所提出的运动规划方法是可行的,采用髋关节和踝关节驱动是三种驱动器配置中最合理的情况。     

一种滚动密封爬壁机器人的安全吸附条件与运动特性分析

为完成三峡大坝流道的缺陷检测,设计开发了一种滚动密封结构的履带式爬壁机器人。该机器人以柔性履带作为密封裙实现滚动密封,具备密封结构耐磨性好、通过性和壁面适应性强等特点,而长效稳定吸附是机器人设计的关键问题。基于动力学建模方法,提出了滑移参数等指标作为滚动密封爬壁机器人的稳定吸附条件,用于考察机器人运动状态下、特别是滑移转向状态下的吸附稳定性与运动准确性。通过讨论负压力在内的相关设计参数对机器人滑移与稳定吸附的影响,建立了关键设计参数与机器人吸附稳定性的联系。仿真与实验结果表明,所提的安全吸附条件能够作为开展爬壁机器人运动性能优化设计的理论依据,同时也为建立相应的控制模型提供了参考。     

一种铆接机械手的运动精度可靠性分析

介绍了一种六自由度工业机器人的运动精度可靠性分析方法。通过分析一种铆接机械手的结构,基于D-H坐标法,建立运动数学模型,并考虑加工和装配过程中尺寸误差和间隙误差的随机性,将结构参数和运动变量误差视为随机变量,建立运动误差模型,结合机构运动学和可靠性理论,构建机械手运动精度可靠性模型。通过算例,验证了该方法的可行性,为该类型工业机器人的可靠性设计和结构优化提供了一定的理论参考。     

工业机器人喷涂运动学仿真研究

为了提高工业机器人设计分析效率,降低昂贵的机器人开发成本,利用虚拟样机技术对机器人进行了运动学仿真,提出了机器人的轨迹规划。根据HA006型工业机器人的结构特点,建立了基于D—H连杆坐标系的机器人运动学模型,利用MATLAB软件的机器人工具箱构建机器人对象,求解机器人基于关节坐标和直角坐标的轨迹规划,并通过SolidWorks软件进行连续路径喷涂轨迹规划的运动学仿真与分析,较为直观地观察机器人工作姿态和运动轨迹,得到机器人运动性能的实时状况。试验结果表明,该方法可以清楚地判定机器人运动方案的合理性及轨迹规划及控制算法的可行性,有效地提高了工业机器人的设计效率。     

考虑气象因素的农业采摘机器人轨迹纠偏控制方法

为了减少气象因素对农业采摘机器人轨迹的影响,提出了考虑气象因素的农业采摘机器人轨迹纠偏控制方法,以解决机器人位姿精度较低和定位时间较长等问题。采用云储存技术对运动的目标果实进行检测与跟踪。利用改进的蚁群算法规划最优路径,通过 RBF 神经网络最佳逼近算法对动力学方程加以优化,加强其逼近能力,从而完成对采摘机器人轨迹纠偏的控制。实验结果表明,该方法可以有效地提高位姿精度、提高定位成功率、缩短定位时间并获得更为顺畅的采摘路径。