线驱动柔性机械臂的运动学分析

与传统的由连杆和关节构成的刚性机械臂不同,设计的柔性机械臂无任何刚性结构,外围驱动装置通过嵌在机械臂内部的拉线与柔性机械臂相联系,控制拉线长度的变化量即可调整柔性机械臂末端执行器的位置和姿态。柔性机械臂由弹性材料制作而成,拥有无穷多个自由度,在确保了高安全性、高灵活性的同时,随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设,提出了一种运动学建模方法,通过建立3个空间,即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间,以及两个映射,即驱动空间-虚拟关节空间映射、虚拟关节空间-任务空间映射,将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明,提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型,能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态,计算末端执行器的位置和姿态。     

基于局部指数积的模块化机器人运动学参数标定

针对模块化可重构机器人系统展开基于局部指数积法的运动学参数标定研究,提出一种基于子装配体的模块化机器人标定方法.首先,采用旋量的指数形式对子装配体进行数学描述,建立子装配体的运动学模型.然后,采用局部指数积方法,建立基于子装配体、包含关节约束条件的模块化机器人实际运动学模型.通过对运动学模型取微分,根据指数映射微分公式的显式表达式,给出模块化机器人末端位置误差与子装配体的关节旋量误差、末端子装配体的局部位置误差之间映射关系的显式表达.最后,以一套模块化可重构机械臂系统为试验平台,采用激光跟踪仪为测量设备进行试验.试验结果表明标定过程能够收敛到稳定值,经参数标定后用于试验的6自由度模块化机械臂定位误差模的平均值降低了近95％,最大值降低了近92％.     

结合IMask R-CNN的绳驱机械臂视觉抓取方法研究

绳驱超冗余机械臂具有灵活性强、工作空间大等特点,在航天活动中可替代宇航员进行各种航空作业.以空间飞行器在轨维修为研究背景,模拟其实验环境,设计了一套基于RGB-D的可移动绳驱超冗余机械臂定位抓取系统.首先改进了Mask R-CNN算法,在保证检测精度的同时降低模型尺寸,通过Intel RealSense D435 i采集图像输入到目标检测模型得到目标的类别和位置信息,进一步利用自适应末端位置更新算法递推机械臂的正逆运动学模型,并结合轨迹规划完成目标的三维空间定位和抓取.实验结果表明,改进后的Mask R-CNN算法能在保证精度的情况下有效地降低模型尺寸,抓取系统的逆运动学求解速度快,具有较好的定位精度,能够有效地完成飞行器抓取的任务.     

蛇形机械臂的设计及控制策略

针对现有蛇形机械臂驱动机构繁琐、整机体积过大、模型建立复杂等问题,设计了一种新型蛇形机械臂.采用杠杆型驱动结构,利用1个伺服电机同时控制2根驱动绳索,从而减少驱动数量、降低能耗.利用正交关节实现位置闭环控制,简化运动学模型.同时,针对蛇形机械臂的不同工作环境,提出尖顶从动控制策略及基于位置闭环的控制方法.前者提高了机械臂的柔顺性,控制简单;后者实现了机械臂的空间重复定位.最后,通过实验证明了所设计机械臂的合理性以及控制方法的有效性.     

连续型机器人运动学仿真和操控系统设计

为了适应越来越复杂的非结构化环境,设计了一种基于球铰链连接和柔性支撑杆结合的线驱动连续型机械臂,并基于常曲率模型的假设建立连续型机器人的运动学模型,研究连续型机器人驱动映射关系,利用MATLAB进行运动学和驱动映射的仿真,仿真结果表明连续型机器人的空间优越性。搭建三关节连续型机器人样机平台,基于连续型机器人的特点设计末端关节跟随手柄操作模式,并在样机平台上实验验证,实验结果表明了运动学模型和驱动映射关系的合理性和正确性以及操控方式的可行性。     

六自由度机械臂建模与工作空间分析

在危险环境条件下,为确保人员安全,考虑使用机械臂代替人类的工作,针对以上需求设计一种六自由度机械臂。根据D-H多体运动学建模方法,分析建立机械臂各关节坐标系并确定连杆参数,建立机械臂的运动学模型;通过齐次变换推导末端执行器的姿态和位置,通过仿真和数学计算结果比较证明建模的准确性。根据关节空间到工作空间的映射关系,采用蒙特卡洛法分析、求解机械臂的工作空间,在MATLAB中描绘出工作空间的三维云图。为后续的机器人轨迹规划、运动控制和参数优化提供参考。     

基于多种群协同进化算法的绳索牵引并联机器人末端位置误差补偿

对于绳索牵引并联机器人来说,影响其末端位置精度的模型不确定性主要包括几何参数误差和非几何参数误差.这两种不同类型的误差具有非常强的非线性且相互耦合,难以通过传统的标定手段来进行参数标定.针对这一问题,提出了一种基于神经网络的末端位置误差补偿方法.将两种不同类型的参数误差等效视作伪误差,通过神经网络来逼近伪误差造成的末端位置误差曲线,建立末端位置误差与绳索长度之间的映射关系,并在关节空间中进行位置误差补偿.为了提高神经网络的拟合精度,设计了基于多种群协同进化算法和反向传播算法的神经网络优化方法,该优化方法能够同时优化网络的权值、阈值和结构,提高神经网络的泛化能力和拟合精度.在实际3自由度绳索牵引并联机器人上进行了位置误差补偿实验,结果表明补偿后的位置误差均值从6.64 mm下降到1.08 mm,轨迹误差均值从7.5 mm下降到1.6 mm,末端位置的精度得到了显著提高.     

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。     

排爆机械臂逆运动学的模拟退火神经网络算法

采用传统方法计算没有封闭解的机械臂的逆运动学运算量大、精度无法保证,对于复杂结构很难满足实时精确控制的要求;6个并行三层双隐层前馈神经网络被设计用来解决排爆机器臂的逆运动学问题,神经网络的应用受到输出误差的限制,需要减小网络输出误差;针对机械臂结构,以神经网络输出为初始值,对网络输出关节变量进行实值编码,采用分离位姿模拟退火算法对的机械臂末端位置、姿态分别进行优化;仿真结果显示,该方法有效地减小了网络输出误差,在运算结果精确性和运算速度方面满足排爆机械臂求逆运动学解的要求.     

Static analysis of cable-driven manipulators with non-negligible cable mass

This paper addresses the static analysis of cable-driven robotic manipulators with non-negligible cable mass. An approach to computing the static displacement of a homogeneous elastic cable is presented. The resulting cable-displacement expression is used to solve the inverse kinematics of general cable-driven robotic manipulators. In addition, the sag-induced stiffness of the cables is derived. Finally, two sample robotic manipulators with dimensions and system parameters similar to a large scale cable-driven manipulator currently under development are analyzed. The results show that cable sag can have a significant effect on both the inverse kinematics and stiffness of such manipulators.     

线驱动模块化七自由度机器人轨迹跟踪控制

阐述了一种线驱动与常规串联驱动相结合的混合设计方法．这种设计方法融合了线驱动并联机构和模块化串联机构的优点，而且混合驱动机器人的工作空间大于完全线驱动机器人的工作空间．文章首先介绍了混合驱动机器人的机构设计，也就是机器人的肩关节采用模块化串联结构，而肘、腕关节采用线驱动结构．然后利用几何分析的方法来解机器人前向运动学问题．在分析驱动线长与关节角之间变换关系的基础上，分别利用速度法和关节角增量法来计算机器人逆向运动学解．最后，使用VC++实现混合驱动机器人对直线运动轨迹进行跟踪的仿真，从而证明了文章所描述的设计方法的正确性．     

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.     

钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

通过研究分析一类[N+1]条钢丝绳驱动[N]个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。     

Vibration analysis of cable-driven parallel manipulators

A cable-driven parallel manipulator is a manipulator whose end-effector is driven by a number of parallel cables instead of rigid links. Since cables always have more flexibility than rigid links, a cable manipulator bears a concern of possible vibration. Thus, investigation of vibration of cable manipulators caused by cable flexibility is important for applications requiring high system stiffness or bandwidth. This paper provides a vibration analysis of general 6-DOF cable-driven parallel manipulators. Based on the analysis of the natural frequencies of the multibody system, the study demonstrates that a cable manipulator can be designed stiff enough for special applications like the cable-manipulator based hardware-in-the-loop simulation of contact dynamics. Moreover, under an excitation, a cable may vibrate not only in its axial direction, but also in its transversal direction. The paper also analyzes the vibration of cable manipulators caused by cable flexibilities in both axial and transversal directions. It is shown that the vibration of a cable manipulator due to the transversal vibration of cables can be ignored comparing to that due to the axial flexibility of cables.     

基于移动补偿的绳驱动关节运动解耦方法

提出了一种通过移动补偿解决绳驱动关节运动耦合的方法。首先,根据运动耦合的机理推导出解耦的约束条件,并相应地设计了一种2自由度绳驱动机械臂;然后,为分析绳索的弹性形变对解耦效果的影响,应用绞盘方程建立了绳索拉力对关节转角偏移影响的理论模型;最后,开展了相应的试验。试验结果显示当关节不受外力矩时,其最大角度偏移量为0.72°;关节上施加一定力矩后,基于上述模型得到的关节转角偏移量同试验值的差异小于0.02°。此外,关节转角偏移量随着预紧力的增大而减小,且关节的动态解耦性能良好。以上结果验证了提出的解耦方法的有效性和关节转角偏移模型的准确性。     

用于丝驱动连续体机器人的实用运动学研究

针对单段及多段连续体机器人运动学问题,提出分段常曲率与粒子群算法相结合的完整正逆运动学分析方法.以双段丝驱动连续体机器人为研究对象,首先设计含平移段的机器人样机;然后利用分段常曲率方法建立驱动空间与关节空间的相互映射,根据齐次变换得到关节空间至工作空间的正映射关系;最后利用线性递减权重粒子群算法实现工作空间至关节空间的逆映射.对双段连续体机器人的运动学进行仿真及逆运动学求解耗时测试,并在研制样机上进行了实验验证.仿真结果说明了所提运动学研究方法的合理性及逆运动学求解的快速性,实验结果显示位置平均误差小于双段连续体机器人本体长度的6.22％,验证了所提运动学的有效性.     

A practical method for the deformation of long-stroke hydraulic manipulators in grasping-handling tasks

Long-stroke hydraulic manipulators are utilized in various grasping-handling tasks, and the flexible deformation of these manipulators is the primary obstacle that affects precise position control of the end-effectors in Cartesian space. This deformation is manifested in the following three aspects: joint deformation, structural deformation and clearance variation. Due to deformation uncertainty, methods that model the hydraulic manipulator as a combination of flexible multibody systems and hydraulic actuators are unsuitable. In this article, we propose an incremental inverse kinematics model (IIKM) as a new approach to solving the above deformation difficulties. The projection method is used to obtain the inverse kinematic analytical solution of long-stroke hydraulic manipulators, which is based on the manipulator deformation in the current configuration (current configuration refers to the arrangement of the manipulator links when the manipulator starts to move to the target position). The proposed method avoids complex flexible multibody modeling and parameter identification, allowing long-stroke hydraulic manipulators to be accurately controlled within a certain neighborhood. An evaluation coefficient is proposed to analyze the calculation accuracy of the IIKM in combination with the success rate obtained from 190 grasping experiments. Through these experiments, we determine the optimal calculation height range of the IIKM in the vertical direction and the optimal calculation position area in the horizontal direction and prove that the IIKM result can guarantee the success of grasping-handling tasks when the end-effector is within the optimal calculation height range.     

关节联动的单孔手术机器人运动解耦方法

针对单孔腔镜手术机器人的执行器械从驱动空间至操作空间的强运动耦合问题,研究关节联动构型,实现运动解耦,简化运动学模型．首先分析联动构型的运动特性并设计滚轮约束式铰接关节．继而研发了7自由度的联动构型器械,它可实现2自由度的“联动展开”．建立了D-H（Denavit-Hartenberg）模型,分析联动构型器械的位姿分离,并通过解析法直接求解逆运动学．然后基于立体角度量手术器械末端在给定点的灵活度,优化联动构型器械的远端段关节布置．实验表明,联动构型器械末端的姿态只取决于远端段关节,“联动展开”只改变器械末端的位置．驱动空间至关节空间的最大误差小于3°,近端段与远端段的驱动之间互不干扰．     

Endogenous configuration space approach to mobile manipulators: A derivation and performance assessment of Jacobian inverse kinematics algorithms

By a mobile manipulator we mean a robotic system composed of a non-holonomic mobile platform and a holonomic manipulator fixed to the platform. A taskspace of the mobile manipulator includes positions and orientations of its end effector relative to an inertial coordinate frame. The kinematics of a mobile manipulator are represented by a driftless control system with outputs. Admissible control functions of the platform along with joint positions of the manipulator constitute the endogenous configuration space. Endogenous configurations have a meaning of controls. A map from the endogenous configuration space into the taskspace is referred to as the instantaneous kinematics of the mobile manipulator. Within this framework, the inverse kinematic problem for a mobile manipulator amounts to defining an endogenous configuration that drives the end effector to a desirable position and orientation in the taskspace. Exploiting the analogy between stationary and mobile manipulators we present in the paper a collection of regular and singular Jacobian inverse kinematics algorithms. Their performance is evaluated on the basis of intense computer simulations.