空间机械臂运动过程中的碰撞检测方法

针对一种六关节机械臂,导出了各关节和末端的坐标,对可能与舱体碰撞的机械臂的几个连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了该点与舱体碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂关节与舱体的碰撞,而且能够检查机械臂连杆上任何位置与舱体的碰撞;对可能发生相互碰撞的机械臂的每对连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了每对连杆相互碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂两连杆两端关节的相互碰撞,而且能够检查机械臂两连杆上任何位置之间的相互碰撞;仿真结果证实了两种碰撞检查方法可行性和有效性。     

一种基于遗传算法的空间机械臂避障轨迹规划方法

针对空间机械臂系统的一系列特殊需求,提出了一种空间机械臂轨迹规划方法.假设机械臂在关节空间下存在一条可以用两段高次样条曲线分段描述、满足所有空间机械臂运动特性要求的理想轨迹.这两段样条轨迹之间的连接点参数能够影响两段样条函数在空间中的扭曲形状,从而使机械臂在遵从样条轨迹运动的同时避开所有障碍.首先建立理想轨迹的分段描述方程,将方程中的未知量用与中间点有关的参数进行描述,将不能够确定的中间点相关参数提取出来作为待定参数,从而将空间机械臂轨迹规划问题转变为一个多目标优化求解问题;其次应用遗传算法进行求解,在分析空间机械臂控制需求和障碍的笛卡儿空间描述的基础上,通过加权系数法建立关于笛卡儿空间机械臂末端轨迹长度、关节空间机械臂运动角度、运动过程中关节最大扭矩、机械臂总运动时间和碰撞情况的遗传算法适应度评定函数.最后应用遗传算法在关节空间下规划出一条无碰撞、动力学特性满足裕度要求、轨迹长度和运动时间较短的理想轨迹.另外,上述方法具有拓展性,通过多次分解轨迹求取中间点,能够使机械臂避开非常复杂的障碍.利用该方法在通过C语言建立的空间机械臂仿真平台上进行验证,结果表明该方法稳定、有效,生成的轨迹满足空间机械臂的性能要求.     

机器人操作臂工作空间的混合计算方法

机器人操作臂工作空间的形状和体积的精确计算对于其优化问题是非常重要的。为此首先根据从关节空间到工作空间的运动映射关系,使用蒙特卡洛方法产生由点组成的三维机器人工作空间。然后,通过把这些点分解成一系列的切片,获得机器人工作空间每层的二维边界曲线;基于切片曲线,由三维重构的方法产生边界曲面。最后,用数值积分的方法计算了机器人工作空间的体积。     

基于一致性理论的多臂航天器协同控制方法

针对空间中自由漂浮多臂航天器的多臂协同问题,提出一种基于一致性理论的协同控制方法,采用有向通信拓扑与广义雅克比矩阵结合的方式,实现自由漂浮航天器多机械臂间的协同.首先,建立多机械臂间的通信关系有向图,确定“领导-跟随”体系下的主臂与从臂;其次,基于有向通信拓扑,进行主从臂末端运动规划,实现主臂运动向从臂的传递;再次,利用广义雅克比矩阵在动量守恒条件下进行末端运动向关节运动的映射,并基于一致性理论设计关节空间内的多臂协同运动控制器;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明控制器的稳定性,并分析位置控制误差.仿真结果表明,所提出的控制方法可以实现多臂航天器系统空间操控任务中各机械臂的聚集、跟踪与位置协同.     

面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略

为解决双臂机器人运动过程中的自碰撞问题，提出了一种面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略。利用机械臂正向运动学构建双臂机器人动态骨架包围盒，用于简化计算关节间最小距离；根据机械臂关节空间阻抗控制规则，设计了基于关节间距离的力矩控制算法，将运动中各关节间距离转换为避碰力矩，并将避碰力矩和其他任务的期望力矩相加，从而得到控制双臂机器人运动的实际力矩。实验表明：当双臂机器人的设定杆件相互靠近且达到避碰距离时，本研究所提出的自避碰策略能够及时对机器人的运动关节产生一组平滑的避碰力矩，避免了机器人自身发生碰撞，验证了所提算法的有效性及实用性。     

自由浮动空间冗余度机械臂避奇异规化的混沌运动抑制控制

推导出自由浮动空间冗余度机械臂的广义雅可比矩阵,讨论空间机械臂避奇异问题,基于梯度投影法选取空间机械臂的运动学可操作度作为避奇异优化目标函数,利用关节空间的自运动,实现自由浮动冗余度空间机械臂的避奇异运动规划,混沌数值计算表明,空间冗余度机械臂避奇异运动时,其关节零空间的自运动处于混沌状态,利用状态延迟反馈控制来实现空间冗余度机械臂避奇异时的混沌抑制,将关节运动镇定到稳定的周期轨道。     

6-DOF并联机器人工作空间边界分析与判定算法

6-DOF并联机器人的工作空间是控制过程研究的主要问题之一,所谓活动空间的边界分析,即指各液压缸活动过程中相互不能发生碰撞,如果碰撞发生,则该点即为边界点.对6-DOF并联机器人的机构和工作原理进行了介绍,给出了对于工作空间边界分析必要的位置算法,根据机构的特点与机器人的运动特性对6-DOF并联机器人的工作空间边界进行了细致的分析并给出了可操作的运动边界判定算法.实现了对液压缸碰撞的判定.     

基于头部碰撞等效模型的柔性关节机械臂安全构型优化

为了提高柔性关节机械臂的头部碰撞安全性,提出基于机械臂安全指数和梯度投影法的柔性关节机械臂构型优化方法,并给出安全碰撞方向和安全构型的确定方法.首先建立柔性关节机械臂的头部碰撞等效模型,模型充分考虑了机械臂关节柔性的影响.然后分别给出固定构型下安全碰撞方向的确定方法和固定碰撞方向下安全构型的确定方法.基于机械臂安全指数,采用梯度投影算法实现了冗余柔性关节机械臂连续路径的构型优化.最后,建立闭环仿真系统,分别通过平面3自由度机械臂和空间7自由度机械臂验证了采用梯度投影法降低机械臂安全指数的有效性.2种仿真结果显示,优化后的机械臂安全指数分别降低了83.86%和26.42%.     

基于模糊补偿的主从式上肢外骨骼康复机器人训练控制方法

针对主从式上肢外骨骼康复机器人主臂信息获取、从臂快速响应等问题,提出了基于关节位姿、速度和力/力矩等信息的运动意图建模方法及基于模糊补偿的康复训练控制策略.根据人体工程学原理,提出了一种同构同型的主从式双臂康复机器人新型结构;利用D-H算法给出了笛卡儿空间的主从臂运动学模型,建立了患者健肢运动意图信息和从臂各关节动作的人机协作映射关系;以患者运动意图力矩作为输入,基于模糊补偿算法提出了患者-主臂-从臂协作控制策略,并利用李亚普诺夫定理证明了该控制系统的稳定性.仿真结果表明,康复机器人从臂可以根据患者运动意图跟随主臂运动,能有效地防止抖动误动,可避免对患肢的二次伤害.实验结果表明从臂运动轨迹平滑,无剧烈波动,控制轨迹跟踪主臂效果好.     

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．     

Dual arm coordination and control

A generalized master/slave technique and experimental results for coordinated control of two arms rigidly grasping an object is described in this paper. Usually master/slave refers to the case when one arm is controlled in position mode while the second arm is controlled in force mode. In generalized master/slave control, each arm at its tool frame has six degrees of freedom; each degree of freedom can be in either position or force control mode. An interactive program has been developed to allow a user the flexibility to select appropriate control modes for a given experiment. This interface also allows for control gain adjustments. This paper presents the results of several experiments performed on this system to demonstrate its capabilities such as transporting an object with or without induced internal forces and movement of a constrained object. The system is further developed to achieve a so-called shared control mode in which an operator species the free motion trajectory for a point on the object of manipulation via a joystick while the autonomous control system is used for coordination and control of the arms.     

Manoeuvrability of a master-slave manipulator with different configurations and its evaluation tests

^_Recently, much research on master-slave manipulators with different configurations (MSM-DC) has been conducted, but the manoeuvrability between different structural arms has not been sufficiently discussed. Thus, an MSM-DC with six degrees of freedom (DOF) using an orthogonal-type master arm has been developed and its manoeuvrability has been studied with the aid of some basic experiments. The results were as follows: (1) the MSM-DC can be operated as easily as a conventional MSM that uses a replica master arm; (2) the slave arm position and the reflecting force of the master arm are correctly generated by coordinate transformation between the slave arm and the master ann; (3) the master-slave mode is suitable for performing a fine task, compared with the joystick mode; and (4) the function of changing the transformation point, which is newly proposed, from the master arm to the slave arm is effective in carrying out a task which has a revolving point. In addition, quantitative evaluation of the manoeuvrability of an MSM was investigated using a pattern trace.     

手控器的性能和评价方法

手控器是主从遥操作系统的关键设备,它不仅是从机械手进行实时运动控制的输入设 备,而且是将从机械手与未知环境之间的相互作用力提供给操作者的力觉遥现装置,是人与 机器人之间建立紧密动态耦合的重要接口．因此,其性能的好坏,直接影响遥操作系统的操 作性能．近年来,在手控器研制方面的文章已发表不少,但很少涉及对手控器进行评价的方 法和量化指标．这种目标的模糊性必然造成某些设计上的盲目性．本文作者在总结多年来对 手控器研制和试验工作经验的基础上,试图对这个问题进行比较深入的探讨,初步提出了一 套评价方法和量化指标．     

Stability guaranteed teleoperation: an adaptive motion/force control approach

An adaptive motion/force controller is developed for unilateral or bilateral teleoperation systems. The method can be applied in both position and rate control modes, with arbitrary motion or force scaling. No acceleration measurements are required. Nonlinear rigid-body dynamics of the master and the slave robots are considered. A model of the flexible or rigid environment is incorporated into the dynamics of the slave, while a model of the human operator is incorporated into the dynamics of the master. The master and the slave are subject to independent adaptive motion/force controllers that assume parameter uncertainty bounds. Each parameter is independently updated within its known lower and upper bounds. The states of the master (slave) are sent to the slave (master) as motion/force tracking commands instead of control actions (efforts and/or flows). Under the modeling assumptions for the human operator and the environment, the proposed teleoperation control scheme is L/sub 2/ and L/sub /spl infin// stable in both free motion and flexible or rigid contact motion and is robust against time delays. The controlled master-slave system behaves essentially as a linearly damped free-floating mass. If the parameter estimates converge, the environment impedance and the impedance transmitted to the master differ only by a control-parameter dependent mass/damper term. Asymptotic motion (velocity/position) tracking and force tracking with zero steady-state error are achieved. Experimental results are presented in support of the analysis.     

工业机器人遥操作系统的空间映射与控制策略

针对工业机器人遥操作系统中存在的主从机器人工作空间差异以及运动控制精度与安全问题,提出了一种工作空间映射算法与位置—速度混合控制策略。首先,将遥操作划分为自由运动和交互两个阶段,在自由运动阶段采用映射算法使主从机器人的工作空间高度覆盖,使主机器人可操控的从机器人运动范围最大化。进一步,在交互阶段设计了一种位置—速度混合控制策略对工业机器人的运动进行准确的控制,使主从机器人的实际位置轨迹准确的跟随,并进一步引入反馈引导力以实现安全的控制。最后在Touch-ABB IRB120主从机器人遥操作实验平台上对所提控制方法进行验证,实验结果表明该方法使得主从机器人运动范围在高度覆盖的同时可以保证遥操作控制的精度。     

A normal form augmentation approach to adaptive control of space robot systems

In this paper, we model a free-floating space robot system as anextended robot which is composed of a pseudo-arm representing the base motion resulting from six hyperthetic passive joints, and a real robot arm. The model allows us to categorize the space robot as an under-actuated system, and reveal fundamental properties of the system. Through input-output linearization of the model, we demonstrate a non-trivial internal dynamics, and propose an adaptive control scheme based on a normal form augmentation approach. This approach overcomes two fundamental difficulties in adaptive control design of space robot systems, i.e., nonlinear parameterization of the dynamic equation, and uncertainty of kinematic mapping from Cartesian space to joint space.     

基于Internet的遥操作系统带观测器的反馈控制

通常遥操作系统主、从机械手间存在通信时延,影响了系统的稳定性和操作性能.在基于Internet的遥操作系统中,时延是时变的,对系统的影响尤为剧烈.为了解决这个问题,在环境模型未知的条件下,首先提出在本地控制端用主手状态、预测的从手状态及接触力设计反馈控制器;接着用时间前向观测器预测从机械手的状态,并将时延变化率建模为系统不确定参数,最终得到稳定性和透明性条件.仿真结果表明了该方法的有效性.     

遥操作系统基于观测器的预测控制

在遥操作系统中需要主、从机械手间进行通信,但通信通道中存在较大的通讯时延,这会降低系统操作性能,甚至会使系统不稳定.为了解决这个问题,首先建立系统的状态空间模型,接着提出用时间前向观测器预测从机械手状态,并结合力、位置和速度反馈消除或减小时延对系统影响.系统反馈参数可方便地通过线性矩阵不等式求解.该方法能使系统渐近稳定而且具有良好的透明性.仿真结果表明该方法是有效的.     

An Adaptive Control Technique for Motion Synchronization by On-line Estimation of a Recursive Least Square Method

This article presents an adaptive technique to tune controller gains for the motion synchronization of two gimbal systems by using a recursive least square method in the real-time fashion. In the master-slave configuration, the slave gimbal system follows the master’s motion while the master tracks the reference. In order for the slave gimbal system to synchronize with the motion of the master gimbal system, the dynamic difference between two systems is compensated by the controller gains. The controller gains of the slave are adaptively adjusted by the recursive least square method to cope with the deviation. The performances of three control schemes such as an independent PD control, a dependent torque control, and an RLS torque control scheme are evaluated by the experimental studies for the low cost gimbal systems. Experimental studies confirm that the RLS-based adaptive scheme actually outperforms by adjusting controller gains for the motion synchronization of the master and slave configuration.