基于旋量理论的机器人误差建模方法

在现代旋量理论使用矩阵指数以及指数积表示刚体运动的基础上,将机器人关节轴线的位姿误差等效为假想广义运动副旋量运动的结果,从而建立机器人含误差旋量的运动学指数积模型.将工具坐标系的位置和姿态误差分别等效为移动副和转动副旋量运动,给出了其大小及方向的计算公式.在Matlab环境下编制了旋量计算软件包,以SCARA机器人为例,应用该软件包进行了误差仿真分析,并使用Adams软件进行了仿真验证.结果表明,该误差建模方法正确、有效.     

机器人关节间的碰撞检测

将多臂机器人机械臂和各运动关节简化为圆柱体,通过计算两圆柱体中心线间最短距离来进行机器人的碰撞检测研究.通过总结提炼两空间线段间的相互位置关系,在进行解析、推导的基础上,提出了7个有意义的解析几何推论,直接可得出两空间线段间的最短距离,然后根据得出的结果,设计了一个机器人运动关节间的碰撞检测算法.该算法程序设计简单,计算量小,能有效地满足实际应用需要.     

6R轻量化关节机器人的静刚度建模及分析

串联机器人末端的形变对机器人作业的精准性会产生影响,为了提高机器人的绝对定位精度,通过对6R轻量化关节机器人末端挠性变形的分析研究,综合考虑了包括伺服电机传动变形和谐波减速器传动变形在内的关节变形,以及机器人各个臂杆末端的弯曲变形、扭转变形和拉伸变形,分别建立了机器人关节和臂杆的静刚度模型.然后,分析了基于该刚度模型的关节变形和臂杆变形分别在机器人末端的映射关系,得到了机器人末端的总挠度变形.最后,基于机器人的刚度模型利用Matlab分析软件对实例进行分析,所得结果与其利用有限元分析的结果相对比,验证了静刚度模型的正确性和有效性.其对轻量化机器人的设计分析及其运动控制具有指导作用.     

机器人关节空间障碍边界方程的建立

将机器人与障碍接触视为封闭链机械，用超复数分析该封闭链，以两自由度转动关节臂为例，建立了关节空间障碍的边界方程。该方法能简洁地表达关节空间障碍，并具有较高的计算效率。     

机器人关节间的碰撞检测

将多臂机器人机械臂和各运动关节简化为圆柱体，通过计算两圆柱体中心线间最短距离来进行机器人的碰撞检测研究。通过总结提炼两空间线段间的相互位置关系，在进行解析、推导的基础上，提出了7个有意义的解析几何推论，直接可得出两空间线段间的最短距离，然后根据得出的结果，设计了一个机器人运动关节间的碰撞检测算法。该算法程序设计简单，计算量小，能有效地满足实际应用需要。     

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。     

空间三臂机器人在操作中的平衡问题

就三臂空间机器人的一臂与航天器固抓、一臂操作、第三臂作平衡协调操作的问题进行了理论研究,取得了在线动量和角动量守衡意义上的平衡操作结论.对一个在气浮平台上运动的简单的三臂空间机器人的实例进行了仿真计算,证明该方法是可行的.为三臂多关节空间机器人的平衡协调操作提供了一种实用的方法.     

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.     

基于自适应神经网络的柔性关节机械臂控制

柔性关节机械臂系统是一个非线性高阶系统,且其动力学方程难以精确地获得。因此,提出一种以关节驱动电机的输入电压为控制量的自适应神经网络控制器,用于控制多连杆柔性关节机械臂系统。所提控制方法通过对柔性关节机械臂模型解耦得到关节转角关于电压的方程,以电压为系统控制输入。设计神经网络控制器用于逼近最优控制输入,并设计鲁棒控制器补偿逼近误差。该控制方法不再涉及复杂的动力学方程,因此能简化计算。相比已有控制方法,所提出的控制策略更简单、响应更快且更有效。并以二连杆柔性关节机械臂为例进行了仿真研究,结果证明了所提出控制方法的有效性。     

柔性臂机器人定位过程模糊滑模控制研究

以宏微双重驱动的双连杆柔性臂机器人为背景,提出了一种具有模糊调节功能的关节角控制律设计方法,即基于刚性模态设计实现关节位置控制的滑模算法,再根据关节角误差信号和滑模函数变化趋势建立模糊推理表确定对滑模控制律的修正量. 为了保持系统性能平稳变化,还提出了修正系数矩阵的概念.计算机仿真表明,本算法可以很好地实现关节角位置控制同时不引起大的振动.     

工业机器人关节动态误差分析

运用多体系统动力学的方法,对由机器人传动特性引起的关节动态误差进行分析,可为工业机器人的误差分析及误差补偿,提高其绝对精度提供有力的工具,具有通用,灵活,方便的特点。     

基于分离-重构技术的6R机器人逆解新方法

提出一种利用分离-重构技术求6R机器人逆解的新方法.首先利用螺旋理论对机器人进行正向运动学建模,然后利用指数积公式的变换,证明了n自由度机器人的可分离性,以及重构连接的通用几何约束;最后以PUMA-560机器人为例,给出其分离及重新连接的几何约束条件.在满足约束条件的前提下,推导出各个关节角求解公式,最终求得机器人逆运...     

基于卷积力矩观测器与摩擦补偿的机器人碰撞检测

针对常规工业机器人在未知环境下运行时可能产生碰撞的安全性问题,提出一种新型的机器人碰撞检测算法. 设计卷积力矩观测器,通过实时观测关节输出力矩与动力学估计力矩的偏差实现机器人碰撞检测. 为了避免机器人处于不同位姿、运动状态等情况下关节摩擦对机器人碰撞检测的干扰,采用静态LuGre模型对关节摩擦进行补偿. 通过对实际工业机器人的运动监测,辨识出更加准确的静态LuGre模型参数. 该碰撞检测算法无需加速度信息,避免了对位置反馈信息二次求导所带来的计算误差. 关节力矩基于关节伺服驱动的电流信息获取,无需安装专门的力/力矩传感器,从而在常规工业机器人无需额外配置的情况下,只需采集机器人关节驱动电机电流和位置信息即可实现碰撞检测. 通过人与机器人交互实验验证了该碰撞检测算法的有效性.     

一种辅助踝髋关节的柔性可穿戴步行辅助机器人的设计与分析

针对传统的外骨骼机器人存在的柔顺性差、穿戴舒适性差等问题,设计了一种可以为踝髋关节提供辅助的可穿戴机器人.该机器人由踝关节驱动系统、髋关节驱动系统、传递系统和绑带系统组成.通过对踝髋关节的受力分析表明,在穿戴者步态周期的0%～60%范围内该机器人可以为踝关节和髋关节提供约200 N和222 N的峰值力,进而可以为穿戴者的脚踝弯曲和髋关节伸展提供帮助.该研究成果可为外骨骼步行辅助机器人的设计提供理论依据.     

Axiomatic design method to design a screw drive in-pipe robot passing through varied curved pipes

A screw drive in-pipe robot is promising inspection equipment for small pipes. However, most of the existing screw drive in-pipe robots have problems of motion interference and slipping inside curved or irregular pipes. These problems result from the coupled relations among the steering motion, the motion speed and the load ability of the robot. In order to deal with the problems, the axiomatic design (AD) theory is applied to evaluate and analyze the existing designs. Then an uncoupled concept design based on the AD theory is proposed and the complete AD decomposition process is presented. After that, the proposed robot based on a tri-axial differential angle modulation mechanism is designed to realize the uncoupled concept. Finally, the uncoupled property is verified in a dynamics simulation system. The simulation results indicate that the motion speed, load ability and steering motion of the proposed robot can be adjusted individually compared with the robots that have inclining-angle-fixed rollers. Owing to the uncoupled design, the proposed robot can mechanically adapt to straight pipes and curved pipes with less roller slipping.     

基于视觉的机器人轨迹误差测量技术

提出了一种基于视觉的机器人轨迹精度测量系统,该系统以计算机视觉为基础,结合激光测量等技术,可实时测量机器人的运动轨迹误差,完成了高精度图像快速采集与处理、系统标定、三维计算及计算结果可视化等关键技术研究及系统研制工作,并在机器人上进行了实验,大量的实验表明,该系统的测量精度和速度均可满足机器人的轨迹测量的需要。     

基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制

针对柔性关节机器人中存在的非线性摩擦问题,提出一种基于摩擦补偿的柔性关节机器人分级滑模控制方法。首先,通过线性化参数的方法对柔性关节机器人受到的摩擦进行建模,并对模型中未知参数设计自适应律以实现摩擦的估计;然后,针对摩擦模型的误差,进一步设计观测器进行估计,结合摩擦的自适应和模型误差估计实现对摩擦的补偿;最后,利用电机侧和关节侧的位置误差和速度误差设计一级滑模面,再根据一级滑模面设计二级滑模面,从而得到分级滑模控制器,进一步实现柔性关节机器人的位置轨迹跟踪控制。通过Lyapunov函数证明了机器人关节轨迹跟踪误差的收敛性。仿真结果表明：该控制方法结合参数自适应和模型误差观测器可以有效地对摩擦进行补偿,在有限时间内实现柔性关节机器人的位置轨迹对期望位置轨迹的跟踪。     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

含单闭链机器人的动力学研究

本文将闭链机构受力分析的示力副法推广应用到含单闭链机器人的动力学分析，建立了含单闭链机器人的动力学逆问题和建模计算公式计算时，将含单闭链机器人分成主开链和子开链，并对机器人所含闭链机构进行运动分析，由此得到联系主开链和子开链关节运动量的变换阵借鉴开链机器人的动力学公式对这两个开链进行计算．将所得的子开链的动力学计算结果，由得到的关节运动量变换阵进行适当变换，并与主开链的动力学计算结果相加就可得到含单闭链机器人的动力学计算结果与其它方法相比，此计算公式简明、完善且直观，易于推广应用．     

闭链级联式机器人基于旋量理论的动力学分析

闭链级联式机器人是一种复杂型式的机器人,对其进行动力学分析是实现对其进行运动控制的必要前提.闭链级联式机器人的结构特点是:任何一个闭链级联式机器人都存在一条主运动链,且主运动链为开链机器人;主运动链的各个关节均为被动关节或被测量关节,分别由相应的闭链驱动或测量.基于旋量理论的动力学分析方法是通过使用运动螺旋和指数积公式等数学工具建立起机器人的动力学方程,从而求取机器人的驱动力矩.由于闭链级联式机器人存在闭链,其动力学分析方法不同于传统的开链机器人,用旋量理论建立闭链级联式机器人的动力学方程的要解决两个关键问题:其一是闭链的分解,其二是惯性矩阵的求取.该方法也为解决单闭链机器人的动力学分析问题提供了基础.