基于机器视觉的圣女果采摘机械臂的动作研究

针对当前圣女果采摘机器人无法保证带蒂采摘的问题,提出一种通过机器视觉进行圣女果姿态分析进而生成特定的机械臂采摘动作的方法;该方法通过模拟人手采摘流程,能够使得机械臂末端执行器到达采摘位置时与圣女果的果蒂方向保持一致;整体系统包括对成熟圣女果的目标检测,测距算法的实现,圣女果方向识别以及机械臂动作生成;根据轮廓拟合算法的思想进行算法改进,实现针对圣女果的更加精确、稳定的方向识别算法,从而获得机械臂末端执行器与圣女果果蒂方向一致的目标位姿,进而实现相应机械臂采摘动作的生成;多次实验表明,改进后的对于圣女果方向的识别算法相较于传统轮廓拟合算法而言误差角度更小,对于不同姿态圣女果的方向识别更具稳定性,因此更加适用于实际采摘流程中根据圣女果姿态生成机械臂的特定采摘动作。     

基于模糊控制系统的机械臂自适应控制算法设计

针对现有机械臂控制算法,在轨迹控制和精度补偿方面存在的不足,设计了一种基于模糊补偿系统的自适应控制算法。先在笛卡尔空间内分析了机械臂的空间动力学运动过程,并得出机械臂运动中的最优力矩值,构建模糊控制规则并设定模糊子集;对经典模糊理论进行优化,引入可变论域思维在机械臂运动过程中,系统会实时反馈末端执行器行动轨迹,并实施动态化补偿;基于自适应算法对可变论域模糊控制器进行二次优化,修正模糊规则并校正模型的控制量参数,提升和改善整个机械臂系统的控制精度。实验结果显示,模糊补充自适应控制算法在多关节和多连杆机械臂的角度控制和位移控制精度方面有较大的优势,同时各关节和连杆的运动相应时间仅为0.27s和0.20s。     

冗余度机械臂零初始加速度运动规划方案研究

针对冗余度机械臂加速度非零初始值的情况,探讨了一种基于伪逆的加速度层优化控制方案。利用约束函数以使关节从零初始加速度开始运动,并引入关节速度/位置的反馈信息,采用速度/位置误差补偿方法改善运动学方程。通过上述方案对机械臂进行优化控制,可及时减小末端执行器的速度误差和位置误差,从而保证轨迹跟踪的精度。利用MATLAB软件对平面三连杆机械臂跟踪圆形和星形轨迹进行了实验。实验表明末端执行器位置误差在5s内达到10-6 m精度,机械臂能顺利完成跟踪任务。     

机械臂D-H参数和减速比几何标定及误差补偿

针对机械臂D-H参数和关节电机减速比不精确导致机械臂绝对定位精度降低的问题,提出了在利用几何分析标定机械臂D-H参数的基础上,通过分析关节实际旋转角度和相应电机编码器码值的线性关系,标定关节电机减速比的方法;针对关节角误差微分补偿法计算量大的缺点,通过推导机械臂末端位姿矩阵误差和关节角误差之间的微分关系建立误差模型,求解关节补偿角,避免了雅各比矩阵的求取,提高了计算效率;最后采用三维激光跟踪仪搭建测量系统,完成了一种6自由度机械臂的标定及补偿实验;实验结果表明,通过参数标定及误差补偿,机械臂的绝对定位误差均值从标定前的2.83 mm和1.14°降低到0.54 mm和0.24°,验证了方法的有效性。     

基于模糊PID的悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计

针对悬吊式机械臂在工作过程中受起吊荷载的影响而产生的重心不稳现象,在模糊PID控制算法的支持下,进行悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计研究。硬件方面,改装主控制器、传感器和通信模块,加设重力补偿装置及驱动电机设备。在此基础上完成软件设计,根据机械臂的组成结构以及工作原理,构建悬吊式机械臂数学模型。在该模型下,检测悬吊式机械臂实时位姿,针对不同位姿建立相应的重力平衡方程。计算机械臂负载力矩,利用模糊PID算法求解机械臂重力补偿控制量,实现悬吊式机械臂重力补偿控制功能。实验结果表明：与传统重力补偿控制系统相比,优化设计系统的控制误差降低了0.056kN,机械臂的稳定系数提升了0.14,即优化设计系统可提高补偿控制效果,具有一定应用价值。     

三自由度苹果采摘机器人本体设计

目前绝大部分应用在水果采摘上的关节型机器人控制复杂,成本高,而且采摘效率低,设计结构简单的采摘机器人是研究的重点。针对苹果种植的园艺特点和关节型采摘机械臂的不足,设计了一套基于圆柱坐标的三自由度苹果采摘机器人本体结构。控制系统采用基于PC&MP2100的分布式控制方案,阐明了机器人作业流程,编写了采摘控制程序,控制中引入模糊PID和偏差耦合同步控制方法,并基于C#,开发了人机交互界面。在实验室对机械臂进行了单轴调试、多轴同步调试、运动耗时和定位精度试验,结果表明采摘机械臂单次运动时间平均为6.619 s,平均运动误差值只有4.929 mm,相比关节型机械臂减少了耗时,降低了成本并且提高了定位精度和采摘效率。     

基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制器的双机械臂协同阻抗控制

多机械臂的精准协同控制已成为当前机器人领域的研究难点,为实现双机械臂精准控制,通过建立双机械臂动力学模型,采用时间延时估计简化机械臂动力学模型,在保证控制系统稳定性的前提下,引入自适应模糊滑模控制器实现对估计误差的修正和补偿,设计基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制的双机械臂协同阻抗控制器,实现双机械臂协同操作的末端轨迹控制以及接触力精准控制.最后,将该控制器应用于两台六自由度机械臂仿真平台,实现双臂夹取和搬运同一目标物体的操作,通过与其他控制器进行对比实验,表明所设计的控制器具有响应快、无抖震、精度高的特点.     

排爆机器人机械臂定位精度误差自动补偿方法研究

针对于排爆机器人在进行排除爆破物质时,机械臂不能满足绝对准确的定位要求,位置检测精度与实际距离之间存在一定的误差。为了解决这一问题,提出排爆机器人机械臂定位精度误差自动补偿方法。基于D-H运动模型和微分变换法创建排爆机器人机械臂位姿误差模型,对误差模型进行重复参数分析,去除重复参数获得可辨识的线性方程;在可辨识的运动学参数误差模型线性方程中加入一个增量进行误差补偿。最后通过仿真实验结果表明,所提方法通过对机械臂位姿误差模型进行有效补偿,使排爆机器人机械臂绝对定位精度均值提升1.3mm。     

果树采摘机器人研制与设计

本文介绍研制一种果树采摘机器人。该机器人由移动底盘及机械手二部分组成,机械臂为PRRRP结构,采摘果实的末端操作器固连于机械臂上,末端操作器上安装视觉传感器、位置定位传感器、压力传感器和碰触传感器。操作器开合由气动控制,当操作器夹住果实后,由安装在操作器一侧的电动刀具切割果柄。硬件平台采用KP-6420i型工控机和台达交流伺服驱动器,视觉系统采用VFW图像采集系统。软件基于Visual C++6.0开发环境,采用基于径向基函数支持向量机的果实图像识别方法,可以满足果树采摘机器人对图像实时处理的速度要求,并通过串行通信实现对机械臂的运动控制。实验样机通过实验室和果园采摘实验,验证了设计的合理性和有效性。     

自动化控制下机械手臂运动轨迹研究

对机械手臂运动轨迹进行优化控制,能改善机械手臂的自动控制性能。为了提高机械臂的控制稳健性,提出一种基于变结构模糊PID控制的机械手臂运动轨迹优化控制模型。首先采用末端效应逆运动学模型构建机械手臂的运动规划约束参量数学模型,采用七自由度运动空间重构方法建立机械手臂运动的动力学方程。然后通过纵向定常运动,分析建立机械手臂整定控制目标函数,求解机械臂在抓取作业过程中的最佳导引控制律,采用变结构模糊PID控制方法进行运动轨迹的误差修正,实现机械臂自动控制优化。最后通过仿真实验进行控制性能测试,结果表明,采用该方法进行机械手臂运动轨迹控制的精度较高,对机械臂位形变化轨迹的预测准确性较好。     

基于神经网络和模糊补偿的水下机械臂控制

针对水下机械臂动力学模型建模复杂且滑模控制的抖振问题,利用Lagrange法和Morison方程精准建立二连杆串联水下机械臂的动力学模型,对模型中参数的不确定项使用4个RBF神经网络分别进行逼近,并且对摩擦项使用模糊控制进行补偿的方法,精准迅速地实现了对水下机械臂控制系统跟踪控制。通过进行仿真分析,基于神经网络和模糊补偿控制的方法与滑模控制、整体RBF神经网络控制和分块RBF神经网络控制相比,控制系统的平均误差分别降低了85.5%、71.8%、93.1%。结果表明,此方法有效降低了控制系统的跟踪误差,并同时提高了稳态性和抗干扰性。     

PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation

This paper presents a PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation. The main idea is to use a fuzzy adaptive controller to compensate for the gravity term of the robotic manipulator. This controller is designed by using Lyapunov's stability theorem, which guarantees system stability. Simulation is implemented on a two‐link manipulator by using MATALAB and SIMULINK. The results show that this fuzzy adaptive controller makes the manipulator trajectory converge to a desired position. Compared with other proposed fuzzy adaptive manipulator controllers, the PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation is conceptually and structurally simpler and guarantees zero position error. ©2000 John Wiley & Sons, Inc.     

A novel criterion for nonlinear time-delay systems using LMI fuzzy Lyapunov method

This study presents a kind of fuzzy robustness design for nonlinear time-delay systems based on the fuzzy Lyapunov method, which is defined in terms of fuzzy blending quadratic Lyapunov functions. The basic idea of the proposed approach is to construct a fuzzy controller for nonlinear dynamic systems with disturbances in which the delay-independent robust stability criterion is derived in terms of the fuzzy Lyapunov method. Based on the robustness design and parallel distributed compensation (PDC) scheme, the problems of modeling errors between nonlinear dynamic systems and Takagi–Sugeno (T–S) fuzzy models are solved. Furthermore, the presented delay-independent condition is transformed into linear matrix inequalities (LMIs) so that the fuzzy state feedback gain and common solutions are numerically feasible with swarm intelligence algorithms. The proposed method is illustrated on a nonlinear inverted pendulum system and the simulation results show that the robustness controller cannot only stabilize the nonlinear inverted pendulum system, but has the robustness against external disturbance.     

空间机械臂地面竖直方向重力补偿控制系统设计

为解决大型空间机械臂地面微重力模拟实验问题,设计了一种3维主动悬吊式重力补偿系统.系统主要由水平2维直线运动单元与竖直重力平衡吊挂单元组成,在竖直方向上通过恒张力控制思想实现微重力模拟,并给出了带负载的伺服电机的数学模型.提出一种基于模糊PID(比例―积分―微分)参数整定的力/位混合控制方法,并研究了在未知负载干扰、系统干扰以及机械臂不同运动速度下控制器的控制性能.仿真实验结果表明,该控制方法能够将重力补偿精度保持在0.3%F.S(全量程)之内,使得系统具有较强的鲁棒性和动态响应能力.     

Virtual manipulator-based binocular stereo vision positioning system and errors modelling

There is a bottleneck of mobile robots positioning technologies for uncertain goals in complex field environment. Owing to the disturbance of the environment, the objects are hard to be located precisely by robot manipulator. Aiming at the positioning problem, binocular stereo vision system and positioning principle of the picking manipulator in virtual environment (VE) were proposed and expatiated upon; in addition, the manipulator positioning model was built in VE, and the manipulator positioning simulation system was developed by Microsoft Visual C++ 6.0; and the binocular stereo vision system platform with a three-coordinate guideway positioning was constructed for test; what’s more the error sources of vision positioning system was analyzed, and the camera system error was established; the mathematical model of experimental error and the camera calibration matching error were also found; with the developed robot manipulator positioning simulation software and vision system hardware, an experimental platform of positioning system was constructed, and using the platform, the stereo vision data was mapped to the manipulator and was guiding the accurate positioning in VE. Finally, experiment of positioning error compensation was carried out. Results of simulation in VE and the experiment showed that the vision positioning method was feasible for positioning in the field environment; it can be applied to control robot operation and to correct the positioning errors in real-time, especially to the long-range precision modelling and error compensation of robots.     

Fuzzy sliding-mode control with rule adaptation for nonlinear systems

Abstract: A fuzzy sliding-mode control with rule adaptation design approach with decoupling method is proposed. It provides a simple way to achieve asymptotic stability by a decoupling method for a class of uncertain nonlinear systems. The adaptive fuzzy sliding-mode control system is composed of a fuzzy controller and a compensation controller. The fuzzy controller is the main rule regulation controller, which is used to approximate an ideal computational controller. The compensation controller is designed to compensate for the difference between the ideal computational controller and the adaptive fuzzy controller. Fuzzy regulation is used as an approximator to identify the uncertainty. The simulation results for two cart–pole systems and a ball–beam system are presented to demonstrate the effectiveness and robustness of the method. In addition, the experimental results for a tunnelling robot manipulator are given to demonstrate the effectiveness of the system.     

结合机器视觉的采摘机械手的定位仿真研究

对水果采摘机械手空间定位机理进行了研究,分析了双目立体视觉系统的定位误差并建立视觉误差补偿机制,利用虚拟机械手开发软件和CCD视觉硬件构建了仿真系统,通过双目立体视觉获取空间位置数据映射到虚拟环境下引导机械手进行模拟采摘。该系统利用多领域知识融合实现了采摘机构与视觉关联精确定位的仿真,能有效地指导实际作业环境中采摘机械手精确定位的优化设计。