具有冗余自由度的移动操作臂逆运动学分析

针对一类具有冗余自由度的移动操作臂,提出了一种逆运动学求解策略,它将操作臂末端的自由度在移动机器人与操作臂各关节间进行了合理分配,并根据该自由度分配方案对移动操作臂系统引入了两个约束条件,在尽量保障了操作臂末端工作空间完整性的同时,极大地方便了逆运动学的求解。最后对加入约束前后的移动操作臂工作空间大小进行了对比分析,并通过实验对所得到的逆运动学求解结果进行了验证。在实验中,利用固定在移动机器人上的CCD摄像机对目标物体进行定位,然后根据目标物体的位姿信息,通过逆运动学分析的结果控制移动操作臂实现了对目标物体的抓取操作。     

一种智能巡检机器人的体系结构分析与设计

介绍了一种变电站巡检智能移动机器人基于模块设计思想的软硬件体系结构,给出了基于该体系结构的车体运动学建模和避障算法．通过机器人的现场运行验证了该体系结构的合理性以及可行性．     

基于GPR和KRR组合模型的机械臂抓取研究

为了避免机械臂自主抓取方法中普遍存在的运动学求逆耗时和视觉系统标定计算复杂度高的问题,提出一种基于高斯过程回归(GPR)和核岭回归(KRR)组合模型的机械臂抓取方法。在学习阶段,训练基于Mask-RCNN的目标检测和实例分割算法及GPR和KRR的机械臂抓取策略;在抓取阶段,首先使用目标检测和实例分割算法获取目标物体的位姿,然后根据目标物体位姿和机械臂关节角的映射关系,结合GPR和KRR的组合模型预测出机械臂关节角并控制机械臂完成抓取任务。实验结果表明:所提出的方法无需视觉系统的标定和机械臂运动学求逆,能够准确地获取目标物体的位姿,AUBO i5机械臂验证,本方法能够实现对目标物体较为准确的抓取。     

高精度解耦六自由度机械臂逆运动学解法

根据6自由度机械臂正交解耦的结构特点,采用位姿分解方式,将6自由度逆运动学降为3自由度位置逆运动学、3自由度方向逆运动学;利用欧儿里德范数导出机械臂定位、定向的逆运动学解析解,使机械臂高速、准确运动.在定向控制方面,提出一种以单位四元数为目标输入的控制形式,只需计算两个角度逆解,既简化计算,又利于实际操作;利用逆运动学计算机械臂的工作空间和奇异点空间,借助移动机器人车体自由度弥补因计算以及关节长度不够引起的奇异位形,极大扩展了机械手臂的有效运动区域.     

冗余度机器人操作机运动学及其设计的研究

近年来学者们对机器人冗余的研究越来越兴趣，现有机器人冗余的研究涉及面很广，从操作操作机设计，运动学算法到控制系统的设计，本文对冗余度操作机运动学衣其设计理论进行了系统综述，讨论并比较了各种运动学算法的优缺点，分析了冗余度操作机设计的准则，并对伪逆控制重复性问题几种观点进行了探讨。文中最后对冗余度操作机运动学及其设计的进一步研究提出了一些看法。     

基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法

为了提高电力系统的自动化水平,减轻电力工人在检修高压输电系统时的劳动强度,同时保障电力工人人身安全,提出并设计一种可以攀爬电力铁塔的六自由度关节式机器人,针对该构型进行运动学分析和求解.为解决传统的解析法用于机械臂逆运动学求解过程中存在操作繁琐和奇异点无法逆运算等问题,提出一种基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法.首先,对电力攀爬机器人进行DH建模,得到正运动学方程;然后,使用正运动学方程和目标位姿建立代价函数,采用改进天牛须算法对代价函数优化;最后,使用Matlab实现此算法进行仿真验证.实验结果表明,与传统的天牛须算法、改进遗传算法以及改进粒子群算法相比,所提出算法具有较好的收敛性,求解精度较高.     

机械臂视觉伺服控制系统的设计

针对传统机械臂无法更好的适应外部坏境的变化,提出了基于双目视觉的机械臂伺服控制系统的设计。首先用D-H建模法对机械臂进行运动学分析以及运动学求解,然后利用数字图像处理技术,基于SURF特征完成目标物体的识别以及双目立体视觉的测量,从而为机械臂的动作提供目标物体在空间中的坐标。最后,对目标测距的精度进行了结果验证,并完成抓取动作。     

基于ROS的七自由度机械臂抓取系统研究

针对移动机器人上的七自由度机械臂进行系统设计,以完成目标检测、跟踪和抓取等工作.该系统包括上位机、图像采集设备和机械臂控制三大部分,在ROS Kinetic框架下让Franka Panda机械臂和Kinect V1摄像头协同工作.采用Linemod方法提取图像特征,可在较短训练时间内从RGBD信息中得到物体的信息、位姿和可信度,同时根据Franka Panda机械臂的结构建立D-H参数表、进行正运动学分析,并提出使用几何法来求Franka Panda的逆解.对机械臂进行了轨迹规划分析,提出改进RRT *的路径规划算法和轨迹规划总体方案.最后进行了机械臂仿真和系统抓取实验,研究结果表明使用的方法合理,系统可完成目标检测、定位和抓取任务.     

基于D-H算法的自主机器人机械臂建模方法研究

近年来,关于自主机器人机械臂控制的研究越来越多,如何快速、准确且平稳地抓取物体一直是研究的难点。用D-H建模方法对四自由度机械臂进行建模,给出了机械臂正运动学方程,并用代数法及几何法给出了机械臂逆解,算出了各关节变量值。最后,通过实验比较了两种逆解方法的有效性,使自主机器人机械臂的控制越来越准确、平稳。     

改进末端跟随运动的超冗余蛇形臂机器人运动学逆解

针对超冗余蛇形臂机器人运动学逆解中计算量大、超关节极限和位形偏移量大的问题,提出了一种改进末端跟随运动的逆解算法．在末端跟随法中引入蛇形臂弯曲角度的约束,调整关节位置的更新方式,使关节在蛇形臂轴线上运动．通过依次更新关节的空间位置,将超冗余多节蛇形臂的运动学逆解转化为2自由度单节蛇形臂的运动学逆解．仿真分析了蛇形臂机器人在基座移动和基座固定条件下的轨迹跟踪效果,对比了同一目标位置下不同方法的性能．结果表明,改进后的算法能保证蛇形臂的弯曲角度不超过给定范围,关节的运动量从末端到基座依次减小,机器人的运动更协调;与基于雅可比矩阵的数值法和现有启发式方法相比,该方法运算量降低,机器人整体位形偏移量减小,能用于蛇形臂机器人的实时控制．     

Kinematic Design and Analysis of a 7 Degree-of-Freedom Dual-Stage Inspection Manipulator for Dexterous Subsea Applications

This paper describes the design of a 7 degree-of-freedom (d.o.f) manipulator for underwater inspection applications. The functional requirements of an underwater manipulator for subsea inspection are discussed and the desired performance requirements identified. The inspection process of a weld joint using a manipulator is described and the desirable attributes of a 5 d.o.f manipulator for the inspection process established. A novel kinematic structure, for Underwater Robotic Vehicle (URV) operation, having a 2 d.o.f launching stages and a 5 d.o.f inspection stage is proposed for the manipulator. This configuration increases the dexterity, without compromising on the total reach of the manipulator. The kinematic structure of the 7 d.o.f, 2 stage, manipulator is presented. A hybrid power actuation is proposed for the manipulator to exploit the benefits of both hydraulic as well as electric actuators. Kinematic analysis of the manipulator is presented. The link dimensions of the inspection stage manipulator is done on the basis of kinematic performance indices of the manipulator. The novel kinematic structure and the hybrid power actuation strategy results in a power efficient, dexterous manipulator for underwater applications.     

一种基于指数积的移动机械臂联合标定方法

提出一种基于指数积的移动机械臂联合标定方法,以实现移动平台和机械臂两者间位姿标定与机械臂运动学参数标定模型的统一.机械臂运动学参数标定使用最多的是基于D-H参数法,但D-H参数法无法克服相邻关节平行或接近平行时的奇异性问题,以及建模过程复杂、建模后的模型通用性差等问题.基于指数积的移动机械臂联合标定方法建模时不会因为关节轴平行而出现奇异性问题,建模过程简单.通过对整个系统的运动学方程进行微分运算,获得末端位姿误差和移动机械臂零位状态旋量误差及关节旋量误差的线性化模型.利用伴随矩阵方式建立关节旋量理论值与关节旋量实际值的关系,并通过改变伴随矩阵实现基于最小二乘法的参数辨识计算过程中参数更新.使用高精度激光跟踪仪作为测量工具,通过实验验证所提出方法的有效性.     

检测与修补移动机械手系统的协调控制技术研究

针对2自由度轮式移动载体与5自由度机械手组成的检测与修补移动机械手进行了运动分析及其控制技术的研究．首先分析了移动机械手的结构特点,描述了移动载体与机械手的动力耦合对机械手系统的性能影响．其次,根据移动机械手动力学的复杂性,提出了移动机械手的运动控制策略,建立了基于神经网络的移动机械手三层智能控制的体系结构,底层是执行层,中间层是处理层,顶层是决策层．处理层包括两个RBF神经网络子控制器,未知的移动载体和机械手的动力学参数分别由各自的RBF神经网络辨识和补偿,形成闭环逼近的控制．应用Matlab编程软件对所建立的RBF神经网络进行训练仿真,最后,在实验环境中对移动机械手的运动进行了相关的实验验证．实验结果验证了移动机械手完成相关任务的有效性和可靠性．     

基于自适应动态规划的移动装弹机械臂轨迹控制

针对移动装弹机械臂系统非线性、强耦合、受多种不确定因素影响的问题,本文基于自适应动态规划方法,提出了仅包含评价网络结构的轨迹跟踪控制方法,有效减小了系统跟踪误差.首先,考虑到系统非线性特性、变量间强耦合作用及重力因素的影响,通过拉格朗日方程建立了移动装弹机械臂的动力学模型.其次,针对系统存在不确定性上界未知的问题,建立单网络评价结构,通过策略迭代算法,求解哈密顿–雅可比–贝尔曼方程,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了自适应动态规划轨迹跟踪控制方法.最后,通过仿真实验将该控制方法与自适应滑模控制方法进行了对比,进一步检验了所设计控制方法的有效性.     

Virtual joint method for kinematic modeling of wheeled mobile manipulators

In this paper, we propose a virtual joint method that better utilizes quasi-velocities for the kinematic modeling of wheeled mobile manipulators. By identifying quasi-velocities as motions of imaginary revolute and prismatic kinematic pairs, our method enables one to regard a mobile manipulator as an ordinary articulated manipulator for the purposes of velocity analysis. We also propose an inverse kinematic scheme for the mobile manipulators along the line with the virtual joint based kinematic framework. Details are worked out for mobile manipulators with representative differential-drive and car-like mobile platforms.     

System centroid position based tipover stability enhancement method for a tracked search and rescue robot

Tipover may cause fatal damages to the mobile robot system during obstacle crossing or stair climbing, and the system centroid position (SCP) is very important for the tipover stability. By monitoring the SCP, it is possible to estimate the risk of tipover and take appropriate actions to prevent the incident from happening. This paper proposes a new tipover avoidance method for enhancing the tipover stability of a tracked mobile manipulator by online adjusting the SCP. The tipover stability criteria for the robot are discussed based on the orientation data from a three-axial gyroscope and the SCP calculation. The velocity kinematic model of the manipulator for SCP adjustment is also presented in this paper. In addition, a redundancy resolution method is employed in order to improve the performance of the robot. The proposed method is applied to a search and rescue robot consists of a four degree of freedom manipulator and a tracked mobile base, and the effectiveness of this method is demonstrated by experimental results.     

A Mobile Robotic Measurement System for Large-scale Complex Components Based on Optical Scanning and Visual Tracking

Large-scale components with complex curved surfaces are the foundation of aerospace, energy, and transportation fields, while full-field 3D measurements along with accuracy analyses are critical to control manufacturing quality. Most of the existing measurement methodologies rely on manual inspection, and the accuracy and efficiency are unsatisfactory. This paper introduces an integrated mobile robotic measurement system for the accurate and automatic 3D measurement of large-scale components with complex curved surfaces. The measurement system is composed of a mobile manipulator, a fringe projection scanner and a stereo vision system, and it can provide accurate noncontact 3D measurements of large-scale complex components. By proposing a hand-eye calibration method and scanning pose tracking method based on a stereo vision system, the local point clouds obtained by scanning along with the movement of the mobile robot around the component can be accurately unified into a common reference frame. The proposed measuring system and method are verified by measuring and reconstructing the whole surface of a wind turbine blade model with a length of 2.8 m. The accuracy evaluation proves the effectiveness of the proposed system and method.     

Dynamic Modeling and Tracking Control of a Nonholonomic Wheeled Mobile Manipulator with Dual Arms

This paper presents methodologies for dynamic modeling and trajectory tracking of a nonholonomic wheeled mobile manipulator (WMM) with dual arms. The complete dynamic model of such a manipulator is easily established using the Lagrange’s equation and MATHEMATICA. The structural properties of the overall system along with its subsystems are also well investigated and then exploited in further controller synthesis. The derived model is shown valid by reducing it to agree well with the mobile platform model. In order to solve the path tracking control problem of the wheeled mobile manipulator, a novel kinematic control scheme is proposed to deal with the nonholonomic constraints. With the backstepping technique and the filtered-error method, the nonlinear tracking control laws for the mobile manipulator system are constructed based on the Lyapunov stability theory. The proposed control scheme not only achieves simultaneous trajectory and velocity tracking, but also compensates for the dynamic interactions caused by the motions of the mobile platform and the two onboard manipulators. Simulation results are performed to illustrate the efficacy of the proposed control strategy.     

多移动机械臂系统动力学建模以及稳定性分析

随着社会生产力的发展和发展需求的提高,移动机械臂凭借着自身优势,受到学术界和工业界的广泛关注.但在许多工作场景下,单个移动机械臂有着自由度数以及载荷的限制,无法顺利完成任务.为了更好地满足任务需求,多移动机械臂系统应运而生.在上述工业背景下,本文建立了多移动机械臂系统的动力学模型,并针对该动力学方程进行了稳定性分析.首先通过拉格朗日方程建立单个移动机械臂的动力学方程,将多体动力学软件仿真结果同动力学模型数值计算结果进行对比,验证了模型的正确性.随后联立多个移动机械臂的动力学方程和操作对象的动力学方程,得到封闭形式的多移动机械臂系统的动力学方程.再利用关节位置误差和速度误差设计李雅普诺夫函数,通过反步法获得了关节力矩的控制律.最后在多体动力学软件仿真中,察看轨迹是否能跟踪上期望信号来检验控制律的有效性.