CMAC在仿人机器人逆运动学计算中的应用

本文采用关节角位移和末端位姿误差作为小脑模型神经网络(CMAC)的输入,根据仿人机器人的正运动学模型来调整CMAC的权值,使网络最终逼近仿人机器人的逆模型,从而得到末端位姿到各个关节角的映射关系,避免了传统解析方法面临的计算量大、解不唯一的问题。MATLAB仿真结果表明,利用CMAC对仿人机器人的逆运动学问题求解,可以保证机器人位姿较好地跟踪给定的参考轨迹,说明CMAC能够逼近仿人机器人的逆运动学模型。     

人与机器人共存中的位姿估计与碰撞检测

提出了一种人与机器人共存中的位姿估计与碰撞检测方法。首先,利用光学3维动作捕捉系统获取标记点位姿信息,建立人体手臂的运动学模型。其次,针对工作空间中障碍物遮挡导致部分标记点位姿信息丢失的问题,将角度传感器获取的肘关节角度作为人体手臂运动学模型的输入,获取人体手臂末端位姿信息。再次,构建人体手臂和协作机器人的胶囊体模型,计算各胶囊体之间的最短距离,从而判断人机的相对位姿关系并实现碰撞检测。最后,通过10个人在不同人机共存场景下对人机位姿估计与碰撞检测方法进行评价。实验结果表明,本方法估计的人体手臂末端位置误差在20mm以内,人机最短距离的最大误差为14.53mm,能够实现人机碰撞检测。     

基于模糊滑模的六足蛇形臂机器人的末端位姿控制

针对六足蛇形臂机器人的超关节极限和位形偏移量大、末端位姿的控制稳定性不好的问题,提出一种基于模糊滑模的六足蛇形臂机器人的末端位姿控制算法。在超冗余运动学逆解空间中建立蛇形臂机器人的运动学模型,采用修正的DH参数法进行六足蛇形臂机器人的末端位姿参数调节和融合处理,建立蛇形臂机器人的末端位姿力学控制模型,在末端跟随运动中采用外环滑模导纳控制方法进行末端位姿的自适应参数调节,采用滑模误差反馈调节方法确定六足蛇形臂机器人的末端位姿,实现六足蛇形臂机器人准确的姿态定位和参量解算,提高控制稳定性。仿真结果表明:采用该算法进行六足蛇形臂机器人的末端位姿控制的姿态校正性能较好,蛇形臂关节的空间位姿自适应调整能力较强,跟随运动准确,具有很好的位姿控制稳定性。     

基于PMPSD的工业机器人几何参数标定方法

针对由几何参数不精确引起工业机器人绝对定位精度低的问题,提出一种基于位姿修正位置敏感探测器的几何参数标定方法。通过建立误差运动学模型,使用位置敏感探测器(PSD)装置进行数据采样,利用位姿修正原理对末端激光器位姿和关节转角进行修正,构建模型约束目标函数,运用LM算法计算得到几何参数误差,修正几何参数名义值。实验结果表明,该方法避免了PSD反馈控制,能够快速实现工业机器人几何参数标定,定位平均误差和标准差分别为78.28%、76.38%,有效提高了机器人的定位精度。     

六轴工业机器人的参数辨识方法

机器人末端位姿的精度依赖于各关节几何参数的精度。为了提高机器人的位姿精度,提出了一种简单实用的机器人参数辨识方法。利用D-H 算法建立的机器人运动学方程,得到了末端位姿与各关节参数的关系。为了解决辨识过程中的复杂计算问题,设计了一种采用拆分参数的迭代方法和相应的实验方法,运用激光跟踪仪对位姿进行精确测量,求得实际几何结构参数。实验结果验证了所提出方法的有效性。     

六自由度上肢康复机器人结构设计与仿真

针对现有康复机器人功能单一以及柔顺性不佳的问题,通过分析人体上肢运动中的形态特点,设计了一种六自由度上肢康复机器人结构。该结构能帮助患者完成三个关节的康复运动;同时,肩关节三个自由度轴线交于一点,与人体上肢肩关节轴线相匹配。采用Denavit-Hartenberg (D-H)法,建立了各关节坐标系并推导出运动学方程,并通过计算验证了运动学方程的正确性;然后,运用蒙特卡洛法,计算出上肢康复机器人末端运动空间云图,确定末端空间范围在人体手臂末端运动范围内;最后,利用Adams建立上肢康复机器人虚拟模型,对所建模型进行轨迹仿真。仿真试验验证了上肢康复机器人设计的合理性以及数学模型的正确性,为后续上肢康复机器人的动力学分析奠定了基础。     

基于MDH模型对机器人标定算法的研究

以初始参数为基础,建立了更为精准的运动学模型,改进位姿匹配原理,于任何一个测量点处,在测量仪器下改变末端到达计算末端位姿,记录此时各关节转角,以及改变前后关节转角差,依此对初始参数进行一系列修正,使之向实际参数收敛。仿真证明,经由该法对机器人参数进行修正后,其精度得到一定程度的提高。     

基于深度学习网络的机器人定位误差估计与补偿研究

为了合理补偿机器人定位误差，提升作业能力，该文提出基于深度学习网络的机器人定位误差估计与补偿方法。确定机器人定位采样点，获取机器人末端定位理论位姿，以机器人末端理论位姿作为深度神经网络输入量，机器人末端定位误差作为输出量，利用遗传粒子群算法优化权值与阈值，得到机器人定位误差估计值，并对理论位姿坐标反向迭加该误差估计值，完成定位误差补偿。实验证明，该方法能够有效补偿机器人的位移偏差和关节角度偏差，精准抓取目标物体，并在不同数量采样点条件下，可使不同类型的机器人保持较高的定位精度。     

基于双层聚类模型的逆向运动方法

对人体末端位姿和其所对应的关节旋转角度信息建立双层聚类模型,第一层采用k-means聚类法则进行位置约束关系聚类,第二层对相关联的关节角度信息采用最大最小距离聚类法则进行聚类.建立样本外末端位姿与样本内聚类空间中关节角度之间的映射关系,通过约束方程搜索出满足约束条件的关节角度信息,实现逆向求解,从而还原整个人体的运动位姿.实验结果表明,该方法求解精度较高,求解速度快.     

考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂“驱动绳索长度－关节角度－末端位姿”的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响,改进“驱动绳索长度－关节角”的映射模型。其次,设计试验平台,开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后,对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明,长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm;末端绝对位置误差减小61.4%,证明了改进运动学模型的有效性。     

基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计

为帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,设计了下肢康复机器人。对于该机器人的控制,采用传统系统无法柔顺控制,导致机器人运动轨迹偏离预设轨迹。针对该现象,提出了基于阻抗模型的下肢康复机器人交互控制系统设计。通过分析总体控制方案,设计系统硬件结构框图。采用L型二维力传感器,确定两个方向的人机交互力。使用绝对值编码器安装在各个关节处,其输出值作为髋关节、膝关节、踝关节电机的转动位置,增量编码器安装在电机轴上,测量值用来作为后期控制方法的输入参数。构建阻抗控制模型,能够调节机器人位置和速度,具有消除力误差功能。依据此力矩对参考运动轨迹进行设计,实时获取患者康复训练的跟踪、主动柔顺和接近状态信息。在柔顺训练实验测出人机交互力,通过实验结果知,在检测到人体主动力矩异常时,系统能够重新优化轨迹,具有良好柔顺控制效果。     

基于BP神经网络补偿的下肢外骨骼位置控制

坐卧式康复外骨骼机器人可以帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,为实现康复训练的位置控制目标,通过深入分析人机耦合关系,建立包括穿戴者、外骨骼在内的耦合运动学/动力学模型,提出了基于人机混合系统动力学模型的带前馈补偿项的PD控制算法,然而为了实现良好的运动轨迹跟踪性能,必须在位置控制算法中加入对不确定项的补偿,因此提出一种基于BP神经网络补偿的位置控制算法并通过仿真验证算法的高效性。     

基于加速度传感器的下肢康复机器人示教训练

将康复治疗人员的临床治疗经验与康复机器人的训练结合,能够有效提高已有下肢康复机器人的训练性能,为此提出一种基于加速度传感器的示教训练方法及无线数据采集系统。通过已有的外骨骼式下肢康复机器人,分析并推导出关节角度与末端轨迹的关系及关节加速度与关节角度的关系。通过加速度信息分析出轨迹信息从而控制训练轨迹。研发的无线数据采集系统提取康复师训练时患者下肢加速度信息并转化成轨迹信息,进而被用于康复机器人示教训练控制。实验结果证明,该系统能够满足康复机器人的示教训练要求。     

偏瘫患者辅助下肢外骨骼设计与仿真分析

针对偏瘫患者外骨骼康复机器人降低外骨骼质量的要求,设计了一种辅助下肢外骨骼机器人,采用柔索驱动的膝关节,具有结构简单,质量轻的特点。同时利用ADAMS建立了外骨骼关节柔索驱动的动力学模型,绳索模块建立了柔索驱动模型,通过Ariel生物运动分析软件,采集髋、膝、踝关节运动数据,运用Spline函数进行了仿真分析。经过仿真分析柔索驱动在上台阶运动过程中的不同拉簧预紧力和拉簧刚度下传动特性和驱动力矩,为进一步研究设计下肢外骨骼提供依据。     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

理疗师交互下的下肢康复训练机器人个性化步态规划方法

针对偏瘫患者的个体差异及病况差异,提出了一种理疗师交互下的下肢康复训练机器人步态规划方法,在理疗师-减重悬吊式康复训练机器人-患者三者共存的复杂环境中,理疗师穿戴主控外骨骼直接行走实现步态时空参数规划,并融入理疗师的医学经验及对患者的评估.首先,基于旋量理论建立运动学模型,实现理疗师空间与机器人空间的运动映射;然后,统一规划机器人关节运动轨迹、减重机构重心调整轨迹及跑步机步速.最后,通过理疗师步态参数的实时采集、运动映射实验及机器人轨迹跟踪实验,验证了步态时空规划方法的有效性.结果表明,髋、膝关节规划角度在人体关节活动范围内,速度变化平稳,关节轨迹规划和重心调整规划均符合人体行走的生理特性.理疗师的参与实现了渐进康复训练中的个性化步态规划.     

基于三步法的机械臂轨迹跟踪控制

考虑机械臂末端轨迹跟踪控制问题,以跟踪逆运动学求解出的末端期望轨迹对应的各关节期望角度为控制目标.设计了一种基于三步法的控制器,该控制器由类稳态控制、可变参考前馈控制和误差反馈控制3部分组成.证明了该控制器可以通过控制机械臂的各关节力矩实现各关节实际角度对期望角度的状态跟踪,进而使得末端轨迹渐近跟踪期望轨迹,并且跟踪误差是输入到状态稳定的.仿真表明基于三步法控制器的空间机械臂末端可以渐近跟踪期望轨迹,并且该算法可以克服系统的末端负载质量变化等不确定性的影响.