基于虚拟位姿迟钝搜索的仿人机器人手臂抓取控制系统的设计

为了使仿人机器人手臂抓取控制系统更加智能化,提高运行效率,设计并实现了一种基于虚拟位姿迟钝搜索的仿人机器人手臂抓取控制系统。系统采用PMAC运动控制器完成机器人运行数据的传递、处理以及对机器人手臂抓取工作台的控制,采用Accelus系列数字伺服驱动器,调控仿人机器人运动位置和速度,通过关节控制器对机器人抓取过程中手臂关节的位置、速度以及角度信息进行控制,通过以S3C2440为核心芯片的上位机,实现仿人机器人手臂控制的远程通信以及抓取任务的调度,完成仿人机器人手臂抓取的智能控制,软件设计过程中,对基于虚拟位姿迟钝搜索的仿人机器人手臂抓取控制算法进行了详细分析,并给出了机器人手臂抓取控制程序代码实例,通过仿真实例验证了本系统的可用性和实用性。     

仿人机器人逆运动学在线求解方法研究

针对仿人机器人逆运动学在线求解问题,从计算实时性与数值稳定性的角度展开研究。分析了仿人机器人下肢拓扑结构,建立其运动学模型与前向运动学描述,根据当前机器人逆运动学算法研究成果,将几何方法与阻尼最小二乘法相结合,并结合分段阻尼思想,提出一种仿人机器人在线逆运动学求解算法。根据运动规划结果,将所提方法与基于雅可比矩阵的广义逆方法通过仿真算例进行对比,验证了所提方法在奇异位形附近的数值稳定性和在线实施的可行性。     

基于改进RRT算法的差动机器人路径规划

为了解决快速扩展随机树(RRT)算法在差动机器人路径规划中存在的最近邻函数不合理、收敛速度慢、路径曲折等问题,提出一种改进RRT算法。该算法沿用RRT算法基本框架,在最近邻函数中添加角度变化,以满足差动机器人自身约束;在节点扩展阶段引入启发步长因子,使扩展步长根据节点位置和扩展方向动态调整,加快搜索效率的同时兼顾规划成功率;对初始规划路径进行修剪和平滑处理,以得到差动机器人的可执行路径。仿真实验结果表明,该算法减少了路径搜索时间,生成的路径更为平滑,易于差动机器人跟踪控制。     

仿人机器人两步步态规划算法研究

为了进一步提高仿人机器人步行时的稳定性,通过对人类步行的研究,并从两足步行机的两步步态规划方法中得到启发,对仿人机器人步行也进行类似的两步规划,但由于结构上的不同,仿人机器人中采用加入上肢运动补偿的方式实现平衡.规划仿人机器人的运动姿态,然后根据零力矩点必须落在稳定区域的原则,对仿人机器人的上肢运动轨迹进行求解,通过这种加入上肢补偿的两步规划来实现仿人机器人的稳定步行.从实验结果可以看出,采用这种两足步态规划方法,在仿人机器人两足步行时,可以使机器人上肢与下肢协调运动,从而提高了步行的稳定性.     

基于模糊优化的仿人机器人运动规划研究

文章主要是对仿人型两足机器人(简称仿人机器人)的运动稳定性进行分析、研究,建立了一套动力学模型,并运用模糊优化的方法分析其运动参数.实验表明:该方法在很大程度上提高了仿人两足机器人的运动稳定性.     

基于主支撑腿运动优化的仿人机器人快速步态规划算法

提出一种基于主支撑腿运动优化的快速步态规划算法,利用快速动态步行的特点,规划ZMP(Zero Moment Point)适时地离开质心投影并始终停留在稳定的支撑区域内．规划过程中考虑了仿人机器人摆动足触地时的碰撞,整个步态产生于深度的优化过程．     

冗余自由度协作机器人运动规划研究

针对传统快速探索随机树(Rapidly Exploring Random Tree,RRT)路径规划算法在新枝点扩展上缺乏目标性和时间复杂度高的问题,以具有偏置构型的7自由度冗余机器人Rethink Sawyer为研究对象,利用引力势函数,对新枝点的扩展进行调节,提出了具有导向性的变步长双向RRT扩展算法完成协作机器人运动规划.采用阻尼最小二乘Newton-Raphson方法对Sawyer机器人逆运动学进行数值求解.通过机械臂运动学模型和运动规划算法仿真、ROS平台的运动规划实验,验证了改进RRT算法进行路径规划的正确性,在操作过程中有效地避免了与约束框架碰撞,降低了机械臂运动规划的时间复杂度.     

基于Octomap的仿人机器人局部环境与能力图模型算法

基于3D点云数据的机器人三维空间能力图模型算法存在体素网格搜索计算量大的问题，由于OcTree在三维空间细分时的层次化优势，提出一种基于Octomap的局部环境与能力图模型算法。首先，根据NAO机器人的关节组成、正向运动学、逆向运动学和刚体坐标变换，对NAO仿人机器人构建全身二叉树状运动学模型；其次在此基础上使用前向运动学在笛卡儿空间计算离散的三维可达点云，并将其作为机器人终端效应器的基础工作空间；然后重点描述将点云空间表示转化为Octomap空间节点表示的方法，尤其是空间节点的概率更新方法；最后提出根据节点几何关系进行空间节点更新顺序选择的优化方法，从而高效地实现了仿人机器人能力图的空间优化表示。实验结果表明，相对于之前的原始Octomap更新方法，优化后的算法能降低近30%空间节点数，提高计算效率。     

仿人机器人相似性运动研究进展

针对仿人机器人模仿人体运动问题, 从运动轨迹角度比较了基于运动解析方程方法与基于人体运动相似性方法的特点, 阐述了相似性运动系统基本结构, 分析了图像捕捉与处理、相似性特征处理、相似性运动约束与优化等模块功能, 阐述了相似性运动中的人体运动捕获与处理、运动关节解算、运动模型简化与重定向、关键姿势处理与相似度评价、关节空间位姿计算、动力学匹配约束等方面的研究现状, 最后提出了研究展望。     

基于启发式Bi-RRT算法的虚拟手臂运动规划

为提高虚拟人手臂在复杂多障碍物空间进行维修时的运动路径规划效率,提出一种基于启发式Bi-RRT的路径规划算法。在运用Bi-RRT算法的基础上,结合启发式搜索思想对腕关节进行路径规划,通过比较多个随机搜索点与目标点的距离,保留距离目标点最近的随机搜索点,使随机树有方向地进行扩展,减少无效的搜索。仿真实验结果表明,启发式Bi-RRT算法较传统的RRT算法和Bi-RRT算法有更好的搜索效果,搜索效率更高,对于7自由度虚拟手臂的运动路径规划也有较好的效果。     

涡流人工势场引导下的RRT*移动机器人路径规划

为了解决快速扩展随机树(R RT)在障碍物密集、通道狭窄的环境中收敛速度缓慢、采样节点密集、路径曲折复杂等问题,围绕RRT的一种常见的变体算法RRT*,设计了一种由人工势场(APF)引导RRT*进行路径规划的方法.首先,使用涡流约束向外发散的斥力场,沿着切向梯度方向形成涡流场,并利用涡流人工势场(VAPF)在RRT*偏...     

基于改进快速扩展随机树方法的隐身无人机突防航迹规划

针对隐身无人机在日趋严密的雷达防御系统下的生存问题,提出了基于改进快速扩展随机树的隐身突防航迹规划方法.本文首先对隐身突防航迹规划中无人机的动态雷达散射截面积和雷达的发现准则这两个关键问题进行了分析和建模,然后针对现有算法在解决隐身飞机航迹规划问题时的不足,设计了改进快速扩展随机树算法,将无人机的雷达散射截面积随姿态变化的情况考虑到新节点生成中,并且结合滚动时域策略计算时域范围内所有节点的瞬时发现概率均值,以判断新节点可行性.仿真结果和对比研究表明,算法的改进策略能够处理隐身突防航迹规划的两个特性,并且可在复杂环境下快速生成更优的突防路径.     

基于三维线性倒立摆的仿人机器人步态规划

为了实时调整仿人机器人的步态,提出一种仿人机器人的步态生成方法。把机器人运动简化为三维线性倒立摆运动模式,通过预先规划好的零力矩点(ZMP)轨迹,根据质心(CoM)和ZMP的关系,求出CoM轨迹;再将前向步态和侧向步态简化为七连杆结构和五连杆结构,利用三角定理求出各个关节的角度,结合ZMP方程讨论了行走过程中的稳定性。利用给定的条件进行了系统的仿真,并结合实际系统及其运行状况进行分析,验证了所提出规划方法的有效性。     

基于引力自适应步长RRT的双臂机器人协同路径规划

快速扩展随机树(RRT)方法的步长确定过分依赖于程序调试,而且固定的步长会导致碰撞检测失效问题.针对此问题,本文提出一种适用于双臂机器人协同路径规划的引力自适应步长RRT.首先,通过建立构型空间与工作空间的步长范数不等式,对双臂机器人在工作空间中所产生的步长进行约束,进而确保实现有效的碰撞检测;然后,提出随机树被动生长方法,在保证双臂机器人协同运动的基础上,降低规划空间的维度.最后,在随机树的节点处引入引力函数,加快算法的融合速度.仿真结果表明,引力自适应步长RRT方法可对工作空间中的步长进行有效约束,确保算法碰撞检测的有效性.在无碰撞的前提下,引力自适应步长RRT方法相比于其他算法减少了迭代次数,降低了运行时间并缩短了路径长度.将所提算法应用于双臂机器人的样机实验,结果表明双臂机器人可在保持位置协同的前提下,完成避障运动,验证了算法的可行性.     

Lifting path planning of mobile cranes based on an improved RRT algorithm

Lifting operations of mobile cranes are one of the commonly-seen and most important activities for prefabrication housing production (PHP) on sites. However, relevant operations are normally based on the experience of operators or project managers, this often leads to low efficiency as well as high accident rate due to dynamic and complex construction sites. Thus, it is important and necessary to develop an appropriate approach to the lifting planning of mobile cranes so as to guide on-site operations. This paper proposes an improved Rapidly-exploring Random Tree (RRT) algorithm for lifting path planning of mobile cranes. Considering the critical role of Nearest Neighbor Search (NNS) in the implementation of RRT algorithm, a novel strategy for searching the nearest neighbor is developed, i.e., Generalized Distance Method and Cell Method. Both methods are tested in simulation-based experiments. The results show that 1) the Generalized distance method not only reduces the search time, but also unifies the unit of distance measurement and clarifies the physical meaning of distance; 2) the Cell method dramatically reduces the traversal range as well as the search time; and 3) both methods improve the quality of lifting path planning of mobile cranes. This improved RRT algorithm enables rapid path planning of mobile cranes in a dynamic and complex construction environment. The outcomes of this research not only contribute to the body of knowledge in spatial path planning of crane lifting operations, but also have the potential of significantly improving efficiency and safety in crane lifting practices.     

基于改进双树RRT*算法的冗余机械臂末端路径规划

针对冗余机械臂的冗余特性与相关RRT*算法在规划机械臂末端路径的应用中存在的搜索效率较低、收敛性不稳定以及没有充分考虑到机械臂末端几何构型与自身运动特性对路径规划影响的问题,提出一种改进策略。首先,引入一种基于根尾节点连线夹角的采样点选择方式,并设置目标逼近区域。根据连续采样成功次数动态选择改进采样与随机采样。接着,将双树扩展策略与上述方法相结合。最后,将初始可行路径进行二次重连得到最终的优化路径。通过验证,改进双树RRT*方法能够有效地提升搜索效率、收敛性以及路径的优越性。虚拟碰撞体与胶囊碰撞体的引入也能较好地应对机械臂末端结构与运动特性带来的影响。使用Mujoco物理仿真引擎进行机械臂运动验证,证明该策略可以为冗余机械臂末端规划出一条较优的可行路径。     

自适应RRT无人机航路规划算法研究与仿真

在复杂环境的航路规划问题研究中,为了降低无人机的飞行代价,需要在规划耗时和路径质量两方面达到一个较好的均衡.为此,提出动态步长和自适应权重相结合的RRT算法,有效地解决了规划耗时和路径质量的均衡问题,并用三次多项式BSpline对路径进行平滑处理.仿真结果表明,在相同的任务环境中,与交叉PSO相比较,动态步长的自适应RRT算法失败次数减少了4252次,耗时降低了89ms,飞行距离减少了4.247 km,且平滑后的路径更加符合无人机实际飞行的需要.     

基于MATLAB的模块化机器人手臂运动学算法验证及运动仿真

针对由模块化关节构成的六自由度串联机器人手臂, 采用DH法对手臂的操作空间进行了描述, 得到了正运动学模型; 采用欧拉角表示手臂姿态, 得到了包含六个参数的用于表示手臂位姿的完备广义坐标, 并对欧拉角的几何关系进行了分析。针对SolidWorks虽然实体建模简洁方便但计算并非其强项的缺点, 编写相应接口程序, 将建立的手臂三维实体模型保留几何约束关系简化后导入MATLAB软件。基于MATLAB编写正逆运动学算法验证程序以及连杆驱动程序, 实现了手臂的仿真运动。通过仿真, 不仅更进一步验证了手臂正逆运动学解算的正确性, 而且非常直观地看出手臂末端在空间中运行的路径以及各关节的动作情况。机器人手臂正逆运动学算法正确性的验证及运动仿真为手臂的精确定位及其路径规划提供了必要的保证。