六自由度水下机械臂设计与分析

为了解决有缆水下机器人(ROV)上搭载的机械臂作业范围不大、水下作业能力有限的问题，对六自由度(6-DOF)水下机械臂进行了研究，设计了一种带有平动开合功能夹持手爪的六自由度水下机械臂，实现了主手对从手的关节驱动器(液压缸或摆动缸)进行位置控制的目的。首先，基于多目标优化规则对夹持手爪进行了计算，求解出液压缸最短行程在20 mm时即可实现手爪的120 mm平动开合范围目标；然后，建立了六自由度机械臂活动关节的D-H数学模型，对机械臂的正、逆运动学进行了求解；最后，采用Solid works软件对设计的机械臂进行了干涉检查，并利用MATLAB软件仿真分析了6个活动关节的运动轨迹，采用蒙特卡洛法求解了机械臂的工作空间范围，并进行了样机测试和水下实验。研究结果表明：机械臂的仿真模型位姿与三维模型位姿一致，机械臂的6个活动关节速度和加速度曲线都是光滑平顺的、无突变点，不存在超调现象；设计的六自由度水下机械臂夹持手爪可以按照预定指令进行120 mm开合运动，ROV上的从机械臂能够跟随主机械臂运动，加减速性能良好，各关节转角范围满足设计要求，可为下一步机械臂的结构优化奠定基础。     

三连杆机械臂三维空间运动学分析

机械臂的运动学分析是分析机械臂的运动及其控制器设计的一个重要环节。在三维空间中建立了三连杆机械臂模型,并对模型做了运动学分析,用拉格朗日方程对三连杆机械臂末端位移、速度和加速度做了理论分析;同时运用仿真软件Adams对三维中的三连杆机械臂的末端位移、速度和加速度做了运动学仿真,来验证理论分析的正确性。用仿真与理论分析相结合来分析实际情况中机械臂末端位姿以及运动情况,为实际情况下机械臂的运动情况提供了理论基础,为设计机械臂的运动控制提供了理论依据。     

基于ADAMS和ANSYS的空间四杆引纬机构优化研究

针对空间四杆引纬机构剑带运动平稳性差和运动精度低等问题,从机构运动参数和结构刚度两方面对该机构进行了优化设计研究。首先,运用空间机构学理论分析了剑带的运动规律,并利用软件仿真验证了其正确性,为优化设计提供了理论基础;然后,以剑带最大加速度最小化为目标,以满足引纬工艺和性能要求为约束条件,利用ADAMS参数化建模对该机构进行了优化分析;考虑引纬机构高速运转下不可忽视的柔性问题,建立了刚柔耦合模型并进行了仿真,分析了各个构件柔性变形对剑带运动精度的影响;最后,以连杆为例,以减小剑带加速度误差为目标,提出了通过增加截面尺寸、提升结构刚度来降低构件柔性变形影响的方法。研究结果表明:对运动参数进行优化后的剑带最大加速度减小35.7%,运动平稳性得到提升;对结构刚度进行优化后的剑带加速度误差明显减小,运动精度得到提高。     

旋量理论在机械臂末端执行器运动精度分析中的应用研究

虽然D-H参数法已广泛用于机械臂的运动建模和分析,先前文献中建立机械臂手爪运动误差数学模型主要基于D-H参数法或者修正后的D-H参数法,但D-H参数法在技术上存在根本的缺陷,即所有运动都是关于x和z轴的,无法表示关于y轴的运动。因此用D-H参数法所建立的机械臂手爪运动误差数学模型中无法体现关于y轴所产生的误差。为解决此问题,利用旋量理论建立了一模块化机械臂末端执行器运动误差的数学模型。利用算例对这种方法进行了分析,证明利用旋量理论建立误差模型是有效的。     

基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划

基于多项式插值的机械臂轨迹规划具有阶次高、凸包性质不够好以及计算复杂特点,传统优化方法难以对其进行优化,提出了基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划方法。该方法首先以机械臂在静态环境下点到点的运动时间最短作为优化目标,以机械臂关节的角度、角速度、角加速度作为约束参数,利用5-5-7-5次多项式对关节空间轨迹进行插值,然后运用惩罚函数法计算多项式插值时间,最后得到关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线。将该方法应用于6自由度PUMA560机器人,结果表明,相较于优化前,优化后在关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线的平顺性变化不明显的情况下,关节运行时间明显缩短了,机械臂的运行效率提高了。     

采用混合算法优化的并联机械臂能量消耗与误差仿真研究

针对并联机械臂存在能量消耗严重、运动轨迹跟踪精度较低等问题,采用了混合算法优化并联机械臂运动机构,并对优化结果进行仿真验证.建立并联机械臂运动机构简图模型,推导齐次变换矩阵运动方程式,给出并联机械臂8种运动模式.确定并联机械臂运动的设计变量,构造能量消耗优化目标函数,在约束条件下,采用混合算法优化目标函数.用PID控制方法,在运动模式1状态下,通过Matlab软件将优化结果进行仿真验证.同时,与优化前的仿真结果进行对比和分析.仿真结果表明,优化后主动连杆消耗的能量较少,被动连杆运动轨迹跟踪所产生的误差较小.并联机械臂采用混合算法优化后,能够减少并联机械臂运动机构能量消耗,提高运动轨迹的追踪精度.     

基于随机森林贝叶斯优化的机械臂运动参数优化研究

机械臂作为生产系统中的重要物流设备之一,在新产品投产前,需要对其未知的上下料轨迹及其运动参数进行寻优配置或整定,以找到适应于该产品的最优物流参数配置方案;但目前在机械臂的运动参数优化方面仍存在着优化时间成本较高、优化效果欠佳的问题。面向机械臂安装燃料电池极板工作场景,以机械臂的运动平稳性、绝对定位精度、物流效率的综合归一值为优化目标,采用基于随机森林概率代理模型的贝叶斯优化算法,以ABB IRB 1410机械臂为例,对其关键运动参数进行寻优。将其与高斯过程代理的贝叶斯算法在相同条件下所得实验结果进行了对比。实验表明,在机械臂运动参数优化问题上,随机森林贝叶斯算法相较于高斯贝叶斯算法,综合效果提升了15%。     

搬运机械臂的初始加速度和速度连续运动规划研究

工业机械臂在执行搬运任务时可能会出现初始关节加速度和速度跳变的情况,这会影响机械臂电机的使用寿命,并使搬运的物品受到较大的冲击力,从而造成物品的损坏。针对该情况,设计了一种基于伪逆的机械臂初始加速度和速度连续运动规划方案。首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,对机械臂在加速度层以及速度层上建立伪逆算法求解模型。其次,为实现关节加速度和速度从0开始连续变化,在关节加速度及速度上引入约束函数进行调整。再次,为减少机械臂末端执行器在任务执行期间出现的位置误差,采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度。最后,在MATLAB软件上针对平面三连杆机械臂以及冗余度机械臂PA10进行了运动规划仿真实验。仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂初始关节加速度和速度跳变,且末端执行器跟踪轨迹能达到较高的精度。     

机械臂神经网络控制优化与仿真

为了提高机械臂末端连杆运动轨迹控制的稳定性,在径向基函数(RBF)神经网络控制器的基础上,采用混合算法优化RBF神经网络控制器.用两个径向基神经网络单元作为自适应控制器,其中一个作为输入端的控制器,另一个作为机械臂的辨识器.将混合算法优化应用到这两个神经网络单元中,以改善网络结构参数对神经网络控制和辨识性能的影响,在Matlab环境下进行了仿真实验,并与RBF神经网络控制器跟踪效果进行对比.仿真结果显示:在受到不确定因素干扰时,机械臂末端连杆采用改进RBF神经网络控制器产生的误差较小,系统反应速度较快,转矩波动较小.机械臂末端连杆采用改进RBF神经网络控制器,具有抗干扰的能力,快速保持系统输出的稳定性.     

超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析

超冗余度机械臂具有大长径比、多自由度、高灵活性等特点。为提升其穿越受限空间的效率,提出一种适用于该机械臂三维空间深腔探测的跟随末端轨迹运动算法。在底座进给运动配合下,机械臂的连杆和关节沿规划路径移动,并使得机械臂与路径曲线偏差尽可能小。为提高算法效率,提出一种迭代步长顺序查找法来实现机械臂的关键点与离散路径曲线快速匹配;为减小路径跟随误差,提出一种线性插值优化方法减小因路径离散处理引起的误差。通过12个关节的超冗余度机械臂的仿真试验,从位置精度、运动平顺性、算法效率三方面对算法性能进行评价。结果表明,在保证路径跟随误差不超过5μm的情况下,机械臂的运动平顺,单周期计算耗时为1 ms左右。算法适用于空间三维运动,且算法效率满足实时控制要求。     

一种串联式液压机械臂PLC运动控制方法研究

串联式液压机械臂是一个复杂的连杆控制机构，针对复杂多变的运行工况下串联式液压机械臂的运动控制精确化需求，在串联式液压机械臂工作原理和运动控制系统结构基础上，构建了PLC主从式控制系统图，并设计了PLC控制程序，优化了运动控制系统的标定参数，在搭建好的串联式液压机械臂运动控制实验台架中进行调试测试，最后实验结果表明该控制方法能够快速提高串联式液压机械臂的运动控制精度，提升运动控制系统的响应能力。     

基于NSGA-Ⅱ算法的机械臂多目标轨迹优化

以HSR-JR612型机械臂为研究对象，针对机械臂运动过程中需满足时间消耗少、能量消耗低、平滑冲击小的问题，对其进行多目标轨迹优化研究。机械臂关节空间轨迹采用七次B样条曲线构造，采用具有精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)，结合对机械臂的关节位移、速度、加速度和加加速度作出限制得到的约束条件，对机械臂轨迹进行优化，得到一组Pareto最优解集合。仿真结果表明，七次B样条曲线构造的机械臂关节空间轨迹速度、加速度和加加速度都连续平滑，保证了机械臂运动性能。在满足约束条件的前提下，NSGA-Ⅱ算法可对机械臂运动轨迹实现有效的多目标优化，获得一组理想的Pareto最优解集，并从中选取一个各项优化目标较为均衡的解作为多目标优化的最终解。     

基于劳斯判据的柔性机械臂弹性运动稳定性分析

为了研究柔性机械臂的弹性运动稳定性,分析末端附加质量和关节惯量对弹性运动稳定性的影响,并计算柔性机械臂的动态最大许用载荷,建立了单连杆柔性机械臂的物理模型,用时空分离法和拉普拉斯变换法求解了柔性机械臂的弹性运动微分方程,用拉格朗日法建立了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型并对其简化和截断。在指定状态变量、控制作用和输出变量后,建立了状态空间表达式和传递函数,并且用劳斯判据建立了稳定性判据并对其进行了简化。用得到的稳定性判据分析了末端附加集中质量和关节惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响,并从保证弹性运动稳定的角度计算了柔性机械臂的最大许用载荷。     

基于Simulink的二杆机械臂的运动学仿真

机械臂运动学建模是机械臂控制器设计的一个重要环节.本文研究了平面双连杆机械臂动力学建模的问题.建模简单、方便、有效,以便于进行动力学分析和控制问题的研究.同时通过MATLAB中的Simulink组件进行仿真,在此过程中可通过对仿真参数的修改对连杆机构的参数进行优化.     

基于压电反馈驱动的液压柔性机械臂抑振方法

为了抑制大型双连杆液压柔性机械臂末端振动,以重载上、下料液压柔性机械手臂为研究对象,针对机械臂在运动过程中末端振动的现象,通过伺服液压系统-Euler Bernoulli梁模型、Lagrange方程和Jacobian矩阵,设计一种基于压电反馈驱动系统控制方法,利用机械臂末端搭载的压电敏感传输器、压电驱动器和反演控制设计方法,研究伺服液压缸运动振颤、液压缸与机械臂关节卡顿和机械臂杆件弹性振动对液压柔性机械臂末端振动的影响规律。仿真结果表明,该抑振控制方法稳定性较好,针对液压柔性机械臂能显著减小末端振动,缩短振动衰减时间,定位精度得到明显改善。     

六连杆机械压力机传动机构优化设计

在分析六连杆机械压力机传动机构结构尺寸设计和运动包络线基础上,建立了传动机构运动不干涉约束条件,以滑块在工作行程内速度波动量最小和接触板料速度最小为优化目标,采用惩罚函数和复合形相结合的优化算法,进行六连杆传动机构优化设计。从而解决以往的文献在进行机械压力机传动机构优化设计时,由于均未考虑传动机构的结构设计导致的运动干涉,致使优化结果难以应用到实际工程中的问题。优化算例表明,滑块速度曲线有明显改善,减小了滑块对板料的冲击,同时优化后的杆系参数能够满足各传动构件结构设计和运动不干涉要求,为六连杆机械压力机传动机构参数设计提供了有效方法。     

多臂节机械臂架系统连杆组参数化建模及优化设计

针对多臂节机械臂架系统连杆计算效率不高,优化设计手段保守的问题,以混凝土泵车臂架作为典型工程装备部件,将臂节之间的油缸及连杆作为整体考虑成连杆组,利用ANSYS APDL语言对连杆组进行参数化建模,并在多工况下进行优化分析,得到连杆组的最优结构模型;通过结构应力试验,验证了计算方法的可行性。结果表明,参数化建模及优化设计的方法大大提高了连杆的计算效率,为多臂节机械臂架系统连杆的设计提供了一种可行且有效的方法,也为其他具有类似结构的产品设计提供了重要参考。     

主从机械手手爪设计与优化

根据核电站使用机械手高可靠性要求,提出了手爪连杆机构设计方案。该方案采用钢丝绳拉动四边形连杆机构实现抓举动作。针对该方案,提出以机构的最优力传递性能作为目标,通过Matlab计算确定连杆最优尺寸。按照功能性和轻量化要求,完成整个手爪的结构设计。经过Workbench对机构强度进行有限元分析,运用子模型分析法得到精确的最大应力值,结果为该值超过了材料的许用应力,对外臂尺寸进一步尺寸优化。运用响应曲线法得到优化参数与优化目标之间的关系,据此得到最优参数。经过优化后的手爪满足了设计要求。通过这种设计方法设计出一种尺寸合理,结构可靠的机械手爪,并缩短了设计周期。     

交通锥回收机械手参数优化

针对单自由度齿轮连杆式交通锥回收机械手,在运动学分析的基础上,研究了杆件尺寸、传动比等参数对回收机械手末端执行器速度及轨迹的影响。基于减小所占空间、主臂转角以及水平加速度峰值等优化目标建立了数学模型,利用Matlab软件对主臂转角,主臂、副臂水平夹角及齿轮传动比等参数进行优化。根据优化前后的设计参数,通过ADAMS软件对回收机械手进行了动力学仿真验证,结果表明,优化后回收机械手尺寸减少了10.3%,主臂转角减小了13.6%,水平加速度峰值减小了19.8%。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。