基于改进人工蜂群算法的冗余机器臂逆解研究

针对具有移动关节的7自由度机械臂逆运动学求解困难的问题,提出了一种基于改进人工蜂群算法的逆运动学求解方法。首先根据冗余机械臂的物理结构简化出几何模型,利用D-H法建立运动学模型,由坐标系变换得到正运动学的解。由于该冗余机械臂不满足Pieper准则,难以用传统方法求得封闭解;因此采用改进人工蜂群智能算法,利用位置误差与姿态误差的标准差作为目标函数,求取逆运动学的最优解,并利用Matlab编程进行仿真验证,仿真结果表明该方法准确有效,为具有移动关节的冗余机械臂逆运动学的求解提供了一种新的途径。     

六自由度机械臂反向动力学递推算法研究

针对多自由度串联型工业机械臂反向动力学求解问题,提出一种基于解耦自然正交补的反向动力学递推算法。通过六维旋量描述相邻连杆的速度约束,用自然正交补矩阵构建关节速度与六维旋量之间的关系。采用非解耦的Newton-Euler方程建立机械臂的动力学模型,当考虑连杆间的速度约束时,将该动力学模型用基于自然正交补的方法进行解耦,形成机械臂反向动力学递推算法,得到动力学模型的最小阶形式。以KUKA KR5六自由度机械臂为例,在仿真环境下对所提算法的有效性进行验证。结果表明:与其他4种算法相比,该算法计算复杂度低、计算效率高;该算法计算效率比ADAMS高67.7%。     

6自由度3P3R温室服务机械臂运动学分析

应用Lie群知识和旋量理论等现代数学工具,描述了机械臂的刚体运动及传递关系。通过指数积公式与关节旋量建立了串联构型机械臂的运动学模型,分析了运动学正解与逆解,并以某型6自由度3P3R温室服务机械臂为例,对运动学算法进行了验证。基于旋量与指数积的运动学算法与D-H参数法等效,但相比之下,几何与物理意义明确,计算过程更简单且无奇异性,更适合机械臂运动控制系统设计需要。     

基于旋量理论的6R工业机器人运动学建模与分析

针对六自由度工业机器人,基于旋量理论,运用旋量指数积方法对机器人进行运动学建模,基于此模型对机器人逆运动学进行求解。根据机器人的构型,提出一类子问题,即两关节相互平行且与第三关节垂直,运用旋量理论及已知的Paden-Kahan子问题对该类子问题的求解进行推导。基于旋量法对速度雅可比矩阵进行推导,在此基础上对机器人的奇异性进行分析,求出奇异形位各关节的角度值,为机器人的轨迹规划和实时控制提供理论基础和重要数据。运用MATLAB对运动学求解及奇异性分析进行仿真,仿真结果显示:所建立的运动学模型正确,求解算法精度高,奇异性分析结果正确。     

偏置式空间机械臂关节角参数化逆运动学求解

针对偏置式空间7自由度(DOF)冗余机械臂,提出了一种基于关节角参数化的运动学求解方法。根据空间机械臂的结构特点对其臂型进行了分析,采用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立空间机械臂坐标系。采用D-H法对空间机械臂操作空间进行了描述,在考虑运动学约束的基础上,得到了以关节角为变量的正运动学模型。通过分析逆运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解了该类机械臂逆运动学的完整解析解。在Matlab环境下,使用Matlab Robotic Tools对机械臂的初始姿态进行了仿真。通过给定的机械臂末端位姿,根据推导的逆运动学算法对空间机械臂各个关节的角度进行了求解。机器臂的运动学逆解算将作为机器臂运动规划和轨迹控制的基础。     

机械臂逆运动学的带修复策略自适应差分进化求解北大核心

在保证机械臂运动学逆解位姿精度的前提下,为了减小机械臂关节角整体的运动量,提出了基于带修复策略自适应差分进化算法的逆运动学求解方法。以7自由度冗余机械臂为研究对象进行了问题剖析。以末端执行器位姿精度为约束,以关节角整体运动量最小为目标,建立了带约束的优化模型。在差分进化算法中引入了多种变异策略,并给出了多变异策略的自适应选择方法,提高了算法的优化能力。针对约束条件,设置了带伸缩因子的修复策略,使解在非可行域时能够伸缩到可行域内。经验证,带修复策略自适应差分进化算法求取的运动学逆解能够满足位姿精度约束,且减小了逆解的关节角整体运动量,验证了本文算法在机械臂逆运动学求解中的优越性。     

基于改进PSO算法的时间最优机械臂轨迹规划北大核心

针对传统机械臂轨迹规划存在效率低、智能算法易早熟和运行不稳定等问题,提出了一种以时间最优为目标,采用改进粒子群算法(PSO)对6自由度机械臂轨迹进行优化的方法。首先,在关节空间下利用机械臂正逆运动学原理获取其轨迹插值点;其次,为了使机械臂能够快速平稳地到达目标位置,采用3-5-3多项式对其轨迹进行插值;最后,使用改进PSO算法对分段多项式插值构造的轨迹进行优化,实现6自由度机械臂时间最优的轨迹规划。通过MATLAB仿真实验可以得到机械臂各个关节的加速度、速度和位置的轨迹信息,在满足机械臂运动学约束的前提下,机械臂完成整段轨迹所用的时间从3 s减少到2.1 s,整体运行时间相对于PSO算法优化前缩短了近30%,由此表明改进PSO算法可以有效地实现6自由度机械臂时间最优的轨迹规划。     

6自由度串联机械臂的逆运动学算法优化与验证

为了解决6自由度串联机械臂逆运动学求解耗时的问题,以IRB1600机械臂为研究对象,从机械臂的结构设计角度出发,基于位姿分离思想和矩阵正交的性质对逆运动学求解算法进行改进,分别根据位置子矩阵和旋转子矩阵求解6个关节角表达式,并辅以正交矩阵的性质对求解过程进行简化,减少运算时间。通过对IRB1600机械臂进行实例求解,在RobotStudio仿真和汽车轮毂打磨的实际工况中验证了该算法的正确性和高效性,对提高机械臂的工作效率和实时响应有着重要的意义。     

基于烟花灰狼算法的冗余机械臂运动学逆解

针对常规方法无法有效求解冗余机械臂逆运动学解问题，提出改进灰狼算法的机械臂逆运动学求解方法，采用一般反向学习初始化与烟花算法爆炸机制相结合，使得算法具有较强的抗干扰与全局求解性，有效避免早熟、局部最优问题。采用10种经典测试函数对改进灰狼算法进行性能测试，测试结果证明改进灰狼具有收敛精度高、抗干扰能力强等特点。以凿岩机器人的七自由度机械臂逆运动学求解为例，采用MDH法建立运动学模型，运用改进灰狼算法求解并与粒子群、模拟退火、传统灰狼算法进行对比，仿真结果表明：该算法性能优于其他算法，能对冗余机械臂逆运动学进行有效求解。     

七自由度仿人机械臂正逆运动学及工作空间分析

针对传统协作机械臂关节惯量大、所需驱动功率大的问题,设计了基于套索传动的七自由度机械臂。该机械臂具有诸多优势,其最大的优点就是驱动电机后置使得关节惯量小、结构紧凑。根据D-H法建立正运动学方程,在分析了机械臂结构特性的基础上,定义了机械臂运动的臂平面、参考平面以及臂型角ψ,通过给定末端位姿~0T_7和臂型角ψ求解运动学逆解。在MATLAB环境中对机械臂正、逆运动学方程进行可视化验证,验证了正、逆运动学方程的正确性。最后利用蒙特卡洛法分析了机械臂的工作空间,求得机械臂工作空间云图。     

基于扰动观测器的冗余机械臂任务空间控制

针对冗余机械臂在任务空间中的轨迹跟踪控制精度差问题,提出了一种基于非线性扰动观测器的滑模控制算法。首先,将末端执行器位姿轨迹通过运动学逆解转换成关节空间内的关节角轨迹,降低运动学求解的计算量;其次,利用拉格朗日法获得机械臂的动力学模型,明确系统输入输出关系;进而,设计非线性扰动观测器来估计与补偿系统的集总干扰,并引入基于趋近律的滑模控制算法来加快系统状态量的收敛速度;再者,控制器的稳定性在李雅普诺夫框架下得以证明;最后,以7自由度冗余机械臂为例对该文所提方法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明:文中控制器的控制性能要优于LADRC与SMC-LESO,能保证关节角具有较高的轨迹跟踪精度;该文方法能够较好地解决冗余机器人的运动学逆解问题,将求解精度控制在0.1mm的量级内。     

基于旋量理论的STANFORD机器人的逆运动学分析

针对Stanford机器人关节的结构特点,基于旋量理论,采用Paden-Kahan子问题的方法求解Stanford机器人的运动反解。研究表明:该方法可消除多关节耦合变量,大大简化计算量,计算精度高,为求解Stanford机器人的运动学逆解提供了一种新方法。     

NMPC算法下六自由度机械臂避障轨迹规划

针对机械臂在空间避障轨迹规划的需求,提出一种基于NMPC的六自由度机械臂避障轨迹规划算法。与以往的避障算法相比,该避障算法在规避障碍物的同时可以对运动轨迹精度进行控制。首先,建立六自由度机械臂自主防撞最优控制模型。其次,为了保证系统的时效性,对复杂的六自由度机械臂系统进行线性化处理,并且通过剪切搜索的方法来寻找最优解。最后,使其在满足控制约束和轨迹约束的前提下,达到自主避障效果。通过MATLAB 对该算法进行仿真验证,结果表明：该方法能够有效地规划出满足机械臂性能要求的无障碍运动轨迹,实现机械臂在动态环境下的防撞控制,有效提高机械臂的运行安全。     

工业机械臂动力学模型简化分析与仿真

针对工业机械臂进行动力学分析的常用方法是利用Lagrange方程进行动力学建模后再实行仿真计算。利用Pieper准则,将五自由度工业机械臂动力学方程展开式简化,即将腕部与手抓部的关节视为外部干扰,只针对前三关节进行动力学分析;提出一种针对简化后的模型利用开源引擎ODE完成机械臂动力学计算;在建立的机械臂三维仿真平台上利用ODE进行仿真的方法。仿真结果表明:该仿真方法不仅可实现机械臂的实时控制,还能得到机械臂动力学参数曲线图。为解决机械臂动力学仿真中效率低和实时性差的问题提供了理论依据。     

机器人运动学逆解及奇异和多解的处理

针对后3个关节轴线相交于一点的6R工业机器人,提出一种有别于传统方法的位姿分离逆解算法,对逆解涉及的奇异和多解处理也做了详细分析,并仿真验证了该算法的正确性。该算法完全避免了矩阵求逆的运算,因此比一般的解析算法更加简单高效,便于实时控制。     

一种多关节轻量化离散驱动机械臂的设计与研究

基于单马达驱动技术设计了一种5自由度的多关节轻量化离散驱动机械臂,机械臂各个关节采用离合器进行控制,多个关节共用一个驱动电机。针对机械臂特殊的传动链结构所造成的关节运动耦合特性,进行分析并提出了补偿措施。为研究机械臂的振动特性,利用ANSYS仿真软件对机械臂进行了模态分析,仿真结果表明机械臂激励频率远离其固有频率。通过对机械臂进行运动学正反解,并利用MATLAB进行仿真分析得到该机械臂能够通过关节联动的方式实现复杂运动轨迹。     

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。     

基于ROS的六轴机械臂3D打印运动规划方法

针对六轴机械臂3D打印的关节运动规划问题,基于ROS搭建六轴机械臂3D打印仿真平台。采用KDL正逆运动学求解器及OMPL轨迹规划器对关节运动进行规划。针对末端执行器打印头运动与挤出机运动的不同步问题,通过速度正运动学获得机械臂末端执行器打印头的线速度;根据打印头的挤出工艺参数,建立挤出机的挤料速度与打印头移动速度之间的关系,进行挤出运动规划。结果表明：利用所提方法可实现六轴机械臂在3D打印平台上的集成;打印零件时出丝量较为均匀,避免了因挤料与打印头运动速度不匹配导致的材料堆积或缺失现象,验证了该方法的可行性。     

基于关节优先级的冗余机械臂柔顺控制方法

针对冗余机械臂柔顺控制过程中某些关节运动可能超出安全范围导致安全事故的问题，提出一种基于关节优先级的冗余机械臂柔顺控制方法。此方法通过雅可比矩阵的加权广义逆矩阵与阻抗控制中机械臂的末端速度相结合，计算出关节角度增量，并对关节角度进行迭代更新。在机械臂运动过程中，为减小超限关节的角度增量，将相应关节设置较小的关节优先级，将超限关节角度变化保持在安全范围内。最后使用一种八自由度的冗余机械臂进行柔顺控制实验验证。结果表明：将相应关节设置较小优先级后，该关节角度增量减小，证明了该柔顺控制方法的可行性和有效性。     

RBFNN在关节空间中的轨迹规划研究

讨论了一种六自由度工业机器人的关节空间的轨迹规划问题。鉴于RBFNN的非线性逼近属性,将其用于复杂映射的建模。采用单输入-六输出模式,利用运动学逆解作为训练样本,完成六维关节空间的插值计算,并通过仿真验证了算法的可行性。