改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

复杂环境建模与机器人避障规划研究

针对复杂环境下的机械臂作业问题,提出了一种基于空间凸多面体集模型的避碰路径规划方法。首先,给出一种利用空间凸多面体模型的复杂物体建模方法,该方法具有一套树型递归结构框架,能精确逼近任意形状的物体,并支持子物体之间的自由度连接,从而能恰当表示如多关节机械臂和电脑桌等带有运动自由度(关节转动、柜门开合、抽屉拉出等)的物体;然后,设计了一种基于直线扫掠体序列的碰撞检测方法,它能快速、准确地进行连续运动的机械臂与空间物体间的碰撞检测;最后,采用遗传算法实现了机械臂的避碰路径规划。在桌面上摆放多个复杂形状物体后,机械臂顺利完成了避障作业规划。仿真结果验证了算法的有效性,表明了其实用价值。     

虚拟设计中碰撞检测技术的研究

针对目前虚拟设计中碰撞检测系统复杂、速率和精度达不到理想要求的现状,提出一种两阶段碰撞检测算法。该方法粗测阶段采用AABB包围盒进行相交测试,剔除完全不相交的目标物体;精测阶段采用空间投影技术结合z缓存算法对上一步结果的潜在性相交目标进一步测试,获得物体碰撞数据信息,最终完成目标物体的碰撞检测。实验结果表明,该算法检测效率优于传统包围体碰撞检测算法。该技术改进后可实现更精确的碰撞检测。     

复杂多场景下机械臂避障运动规划方法研究

为提高工业机械臂在狭窄通道、多障碍物等复杂多场景下避障运动规划的成功率和效率,建立了基于圆柱体和球体包围盒机械臂与障碍物之间的碰撞检测模型,并提出了一种基于启发式概率融合人工势场法的改进型RRT^*算法(P-artificial potential field-RRT^*,PAPF-RRT^*)。采样上引入概率目标偏向与随机采样点优选策略,对采样点进行位置优选约束,增强采样导向性和质量;为改变传统新节点扩展方向和特殊环境下局部最优问题,融合人工势场法的目标引力与障碍物斥力和自适应步长,使算法在APF产生的合力范围下实时引导新节点扩展方向和步长大小,降低过度的探索和碰撞区域扩展;对冗余节点进行删除,并采用三次B样条插值优化,提高机械臂轨迹的柔顺性。仿真结果表明,所提算法较传统RRT*算法在平均路径搜索时间上降低了56.75%,路径长度缩短了17.74%。导入机械臂模型后可视化仿真结果证明,所提算法可使机械臂成功避障且快速平稳运行到目标点。     

散乱点云边界特征快速提取算法

摘要：提出一种散乱点云边界特征的快速提取算法,该算法采用R*-tree建立散乱点云空间索引结构,基于该结构快速准确获取局部型面参考点集,建立该点集的基准平面,计算点集内各点到基准平面的距离并将该距离与目标点到基准平面的距离进行比较,识别点云边界特征.实例证明该算法可快速、准确地提取散乱点云的边界特征.     

基于云计算Map-Reduce模型的快速碰撞检测算法

针对人机交互系统中碰撞检测实时性、精确性的要求,本文提出了一种基于云计算模型的快速碰撞检测算法。1提出一种新的分裂平面构建OBB平衡包围盒树方法;2引入了标记遍历树概念,对进行碰撞检测的OBB任务树采用堆栈进行深度或广度遍历标记,减少相交检测次数;3采用Map-Reduce云模型对任务树进行划分,划分后子任务采用云模型并行执行,减少了检测时间;4对每个子任务结果进行标识,将标识后的子任务作逻辑运算,通过运算结果判断是否发生了碰撞。对比实验结果表明:与经典的I-COLLIDE、MPI及Pipelining等算法相比,该算法在效率、精确性方面具有明显优势,能够满足复杂虚拟空间人机交互的实时性和精确性的要求。     

3D混杂场景中机械臂自主分拣小目标的方法

为解决机械臂在大小目标共存的3D混杂场景中无法利用3D视觉传感器直接感知分布于操作视场范围内的小目标这一难题,提出一种基于"固定安装的全局Kinect深度相机"与"安装在机械臂末端执行器上的移动相机(手眼相机)"相结合的视觉系统混合配置方法.固定的全局Kinect深度相机用于感知并获取视场范围内的大目标点云,进而识别估计其位姿,然后借助路径规划技术引导机械臂到达大目标的上方,启动手眼相机近距离获取小目标的图像;离线阶段获取小目标的CAD模型,虚拟2D相机在以目标中心为球心的虚拟球表面的不同位姿和不同半径处拍摄目标的一系列二维视图,并且储存在目标的3D形状模板数据库中;在线阶段从真实手眼相机拍摄的场景图像中基于图像金字塔分层逐一搜索匹配,找到与目标模板相匹配的所有实例并计算其二维位姿,经过一系列转换后得到在相机坐标系下的初始三维位姿,应用非线性最小二乘法对其进行位姿修正.由ABB机械臂和微软Kinect V2传感器以及维视图像公司的工业相机进行位姿估计精度实验和混杂目标分拣实验,利用棋盘标定板来测定目标真实的位姿.实验结果表明,位置精度0.48 mm,姿态精度0.62°,平均识别时间1.85 s,识别率达到98%,远高于传统的基于特征和基于描述符的位姿估计方法,从而证明了提出方法的有效性和可行性.     

机械臂运动轨迹可靠性分析的自更新响应面法

为解决机械臂运动轨迹可靠性分析的计算效率和精确性难题,提出自更新响应面法分析机械臂运动轨迹可靠性.首先,根据等效极值思想,将机械臂的运动轨迹可靠性转换为运动误差最大时的轨迹点可靠性;其次,基于粒子群优化算法,求解随机输入在不同样本情况下运动误差达到最大时所对应的时间,利用这些数据构建关于时间的Kriging响应面,在可靠性分析过程中,通过该响应面快速预估机械臂运动误差最大时所对应的时间,以此提高计算效率;第三,基于相对均方预估误差建立自更新机制,通过加入新的样本点来提升Kriging响应面的近似精度,确保可靠性分析结果的精确性.最后,通过案例分析验证所提方法的有效性和正确性.     

一种快速精确的连续碰撞检测算法

为了实现运动刚体间快速精确的碰撞检测，提出了一种新的连续碰撞检测算法。利用图形硬件的计算能力，该算法在每个时间区间上实时处理，把单个时间区间划分成若干个子时间区间，使用静态和连续的定向包围盒（OBB）相交性检测方法，计算出在子时间区间内的潜在碰撞集(PCS)，并结合基于图形硬件的可靠碰撞剔除方法、三角面片之间的碰撞检测方法和回退方法，计算出刚体间的初始碰撞时刻和碰撞位置.并应用于一个三维建模系统中的装配模块.实验结果表明，与传统的碰撞检测方法相比，该算法可以缩短计算时间，具有更好的性能和精度.     

一种基于改进词袋模型的视觉SLAM算法

针对室内环境中视觉同时定位与建图(simultaneous localization and mapping,SLAM)精度不高和实用性较差等问题,采用深度相机作为传感器,提出一种基于改进词袋模型的视觉SLAM算法.该算法通过增加节点距离的方式,对传统的词袋模型进行改进,采用octree方法转化点云,生成可用于导航的八叉树图,并进行改进前后词袋模型对比实验、数据集精度实验和实验室实测.结果表明,改进后的词袋模型相似度计算能力和区分度更强,SLAM算法在环境有回环和相机运动较慢的情况下,效果较好,可满足室内同时定位与建图及后续导航需求.     

Numerical method for estimation of kinematical parameters for articulated rovers on loose rough terrain

Based on the study of passive articulated rover,a complete suspension kinematics model from wheel to inertial reference frame is presented,which uses D-H method of manipulator and presentation with Euler angle of pitch,roll and yaw.An improved contact model is adopted aimed at the loose and rough lunar terrain.Using this kinematics model and numerical continuous and discrete Newton’s method with iterative factor,the numerical method for estimation of kinematical parameters of articulated rovers on loose and rough terrain is constructed.To demonstrate this numerical method,an example of two torsion bar rocker-bogie lunar rover with eight wheels is presented.Simulation results show that the numerical method for estimation of kinematical parameters of articulated rovers based on improved contact model can improve the precision of kinematical estimation on loose and rough terrain and decrease errors caused by contact models established based on general hypothesis.     

Calculation on the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain and path planning

For the concerted motion of rocker lunar rover, the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain must be calculated. According to the character of passive shape-shifting adaptive suspension of rocker lunar rover, the model of rocker lunar rover and the model of terrain were both simplified. The pitch angle of rocker was calculated using forward solving, reverse solving and the method of offsetting the curve of terrain re- spectively. Because of the banishment of the nonlinearity of equation sets of calculation by reverse solving, the calculation of the pitch angle based on reverse solving was programmed by means of MATLAB. Simulations were carried out by means of ADAMS. The result verified the validity of the calculation based on reverse solving. It provides the theoretical foundation for motion planning and path planning of rocker lunar rover. As applications of the calculation of pitch angle of rocker, the multi-attribute decision making of path based on the concerted motion planning and the predictive control on lunar rover based on the Markov prediction model were introduced.     

Calculation on the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover on uneven terrain and path planning

Forthe concertedmotion of rockerlunar rover,the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain must be calculated.According to the character of passive shape-shifting adaptive suspension of rocker lunar rover,the model of rocker lunar rover and the model of terrain were both simplified.The pitch angle of rocker was calculated using forward solving,reverse solving and the method of offsetting the curve of terrain respectively.Because of the banishment of the nonlinearity of equation sets of calculation by reverse solving,the calculation of the pitch angle based on reverse solving was programmed by means of MATLAB.Simulations were carried out by means of ADAMS.The result verified the validity of the calculation based on reverse solving.It provides the theoretical foundation for motion planning and path planning of rocker lunar rover.As applications of the calculation of pitch angle of rocker,the multi-attribute decision making of path based on the concerted motion planning and the predictive control on lunar rover based on the Markov prediction model were introduced.     

基于ADAMS的六轮月球车动力学建模与仿真

针对月球的复杂地形环境,利用ADAMS软件建立六轮摇臂-转向架式月球车的三维仿真模型,对其进行动力学仿真分析,获得了月球车各部件和整车的动力学特性曲线,为月球车控制系统的设计与数值计算提供了理论依据.     

基于力反馈手柄的移动载人月球车操作控制系统

移动载人月球车相关技术的研究是我国未来载人登月探测的重要任务.根据载人月球车的需求,本文从航天员操作舒适度和操作工作空间出发,设计了一种面向载人月球车操作的力反馈手柄,在具体的场景设计下可以带给航天员力触觉感受,辅助航天员进行安全、有效的驾驶行为.基于力反馈手柄的移动载人月球车操作控制系统包含力反馈手柄、硬件系统、软件系统.力反馈手柄主要由二自由度旋转机构、手杆、带光编码器的直流电机组成;硬件系统为STM32单片机及相关接口电路,STM32作为下位机接收来自上位机的指令信号和力反馈信息,并且向上位机反馈手柄位置信息;为完成移动载人月球车操作控制系统的仿真测试,软件系统是基于unity3D所开发的月球车驾驶场景,搭载使用虚拟传感器,做出驾驶行为决策解算出相应的力反馈信息.实验结果表明,力反馈手柄能较好地辅助航天员操纵载人月球车,有效提升了载人月球车的驾驶效率和安全性.     

Kinematic modeling and analysis of novel eight-wheel lunar rover

A new kind of eight-wheel lunar rover is developed, which is a complex closed-chain system and has good capabilities of climbing slope, surmounting obstacles and adapting to uneven terrain. In this paper, the mechanical structure of the novel eight-wheel lunar rover is introduced, forward and inverse kinematic models of the rover are established according to the closed-chain coordinate transformation and instantaneous coincidence coordinate. Based on structural characteristics, its kinetic characteristics are analyzed. Wheel slippages are separated and calculated, and a method for closed-loop control modification using wheel slip estimation during the model establishment is proposed. The results can be applied to the motion control of lunar rover.     

基于 PID 控制的月面巡视探测器坡度行驶仿真分析

通过月面巡视探测器爬坡轮与地面的相互作用分析,建立月面巡视探测器坡度行驶地面力学模型。根据双闭环直流调速系统工作原理,采用位置式PID控制算法编写了电机驱动仿真模块,并将电机驱动仿真模块融合到月面巡视探测器多体动力学仿真体系中,构建了完整的月面巡视探测器动力学仿真系统。对月面巡视探测器坡度行驶工况进行仿真分析,初步实现了对月面巡视探测器动力学模型的验证,为月面巡视探测器驱动控制算法、运动规划和路径规划仿真提供技术支持。     

六圆柱-圆锥轮式月球车的设计

针对月球表面的非结构化环境,设计了一种新型六圆柱-圆锥轮式月球车.整车由三节串联而成,每节具有一对独立驱动的圆柱-圆锥轮,由两个三自由度的悬架结构连接,三节之间能够被动实现俯仰和扭转相对运动;悬架关节中设计有离合器或制动器,能够根据需要锁住关节或在电机驱动下实现主动俯仰或前摆运动,从而能够使月球车根据路况以轮式或轮步方式移动.为了降低刚性车轮产生的振动,在车轮和支承轴之间设计了由金属橡胶构成的减振器.对月球车的结构参数优化和移动性能的分析,结果表明,该车具有很强的地形适应能力和越障能力.     

基于模糊逻辑的六轮月球车路径跟踪控制

以六轮差速转向月球车样机JLUIV-6为研究对象,推导了三维环境下月球车速度运动学模型,进而得出逆运动学模型。在路径跟踪阶层,根据横向偏差和角度偏差设计了车体的偏航角速度模糊控制器,并基于路径曲率和地形崎岖程度,引入模糊修正模块来控制车体的期望速度。在执行阶层,根据控制器输出的车体期望速度和角速度,用逆运动学模型给定车轮相应的转速指令,使其跟踪车体的期望速度和角速度。最后通过ADAMS/Simulink联合仿真验证了所提方法的有效性。     

八轮扭杆摇杆摇臂月球车运动控制研究

详细分析了八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车轮子的运动情况和受力分析,提出了5种轮子操作模式,指出月球车在自由操作模式下的运动是比较理想的,机构间的能量损耗是最小的。讨论了对于在复杂环境中轮式探测车的电机驱动模式的选择对探测车运动稳定性的影响。用轮子操作模式的观点分析了3种简单电机驱动模式下月球车在平坦和崎岖地形中的不同运动情况。根据八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车的机构特点,结合轮子操作模式,利用月球车机构特征和速度匹配原理,提出一种具有良好地形适应能力运动控制算法,把它融合到了整个运动控制系统当中,提高了月球车在崎岖地形中的运动性能。通过野外环境中的实验证明了运动控制模型的合理性和构建系统的可靠性。