双臂空间机器人捕获目标过程的协调操作滑模控制

空间机器人捕获目标的双臂协调操作控制复杂,要考虑机械臂与基座的协调运动控制及双臂对目标夹持内力控制。根据闭链动力学模型,设计一种基于干扰观测器的滑模控制算法,对捕获目标后空间机器人漂浮基座姿态、机械臂关节角及双臂对目标夹持内力进行协调操作控制。仿真试验表明双臂协调操作滑模控制可以克服未知干扰且具有较强的鲁棒性。     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

载体位姿不受控的空间机械臂非完整特性研究

载体位姿不受控的空间机械臂系统,其载体和机械臂之间存在角动量守恒方程约束。由于该约束是非完整约束,所以普通的固定基座机器人运动学理论不能直接用来解决这类空间机械臂系统的运动学问题,基于这类非完整性约束,推出载体位姿不受控空间机械臂的运动学方程,在速度层次上分析这类载体位姿不受控的空间机械臂的运动学问题,并进行由于非完整特性引起载体位姿干扰与奇异问题的仿真研究。     

一种被动三自由度变刚度柔性基座设计

在一些大型航天器上,为扩大机械臂的工作空间,往往采用宏微臂组合的方式。当微臂工作时,宏臂相当于微臂的柔性基座。针对这种宏微臂串联组合方式,设计一种被动三自由度来模拟宏臂,用于微臂的地面试验。柔性基座实现了三自由度之间的耦合,且采用不同的原理实现了三自由度方向刚度的可调性。对柔性基座进行了刚度特性分析,得到了其变形角度的刚度阵,并对其刚度阵进行了分析。为柔性基座机械臂的动力学研究提供了实验平台。     

微创手术机器人多从操作臂系统结构设计

为提高微创手术机器人术前定位效率和末端可操作性,设计了一种新型微创手术机器人多从操作臂系统,其包括术前定位机构和远心机构两部分.该系统的基座可以安装3条手术器械臂和1条内窥镜臂.远心机构通过平行四边形机构实现末端不动点,在俯仰、翻滚、平移3自由度的基础上添加冗余自由度,增大了工作空间.为便于医生术前对远心机构高度的调节,在术前定位机构的重力补偿关节处通过恒力弹簧补偿远心机构的重力.在多从操作臂系统结构设计的基础上,对主动部分和被动部分进行了正运动学分析.术前定位机构是对机器人主动部分进行术前定位,手术过程中被动部分各个关节将被锁死.对主动部分进行了逆运动学和工作空间分析,通过将SolidWorks运动仿真的运动轨迹与Matlab运算得到的机器人末端运动轨迹对比,验证了多从操作臂系统结构的合理性和运动学的正确性.     

冗余空间机器人基座姿态无扰动路径规划

在研究冗余空间机器人基座姿态无扰动路径规划以实现在空间机器人末端进行连续路径跟踪的过程中基座姿态无扰动。提出一种具有奇异鲁棒特性的反作用零空间算法以完成冗余空间机器人关节运动与基座姿态扰动的解耦控制,其克服了传统基于反作用零空间算法中的算法奇异问题,且结合奇异鲁棒逆以及变阻尼系数克服动力学奇异,进而得到奇异鲁棒的空间机器人基座姿态无扰动路径规划算法。建立基于MATLAB/Simulink的空间机器人数值仿真系统以验证所提出算法的实用性以及可靠性,仿真结果表明提出的算法具有可行性。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统动力学建模与抑振控制

柔性多臂空间机器人是一个高度非线性、强耦合的动力学系统。本文基于假设模态法、La-grange方程和动量守恒原理,推导了一种自由浮动柔性双臂空间机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型。针对空间柔性机械臂的弹性形变和振动问题,设计了线性二次型最优控制方法对其进行振动主动控制,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。     

一种全向移动操作机器人建模与交互作用分析

全向移动操作机器人（Omni-directional Mobile Manipulating Robots,OMMR）是由全向移动平台以及在平台上加装一个或多个操作臂组成的具有主动作业能力的新型机器人系统。在移动平台上加装操作臂后,整个系统动力学行为的复杂性将会因为移动平台与操作臂之间的耦合效应而大大增加,涉及地面-移动平台、移动平台-操作臂、操作臂-操作环境的动态交互,给系统的建模带来极大困难。在建立OMMR运动学、静力学模型的基础上,提出了一种简化的OMMR系统动力学建模方法;基于该动力学模型,建立车-臂交互作用模型并对其交互作用进行分析。仿真和实验验证了车-臂交互作用模型的正确性,间接证明了所提OMMR系统动力学建模方法的合理性和有效性,为机器人运动规划和运动控制提供了模型数据。     

空间自由漂浮机器人运动计算机仿真

通过对空间自由漂浮机器人系统的运动特性的分析,建立了基于视觉反馈的实时目标跟踪控制算法,构建了基于实际电机的关节电机闭环控制模型.并在VC环境下建立了一个基于OpenGL的机器人可视化仿真系统,利用该系统建立动力学模型.该仿真系统可以对空间自由漂浮机器人机械臂运动时基座姿态及位置的变化进行模拟.最后在此仿真系统上进行了运动学和动力学仿真实验,验证了系统数学模型的有效性和准确性.     

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入动态抓取域用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。     

柔性机器人的协调操作及其逆动力学控制算法

柔性协调机器人系统是一个含柔性机器人内部各杆之间,运动协调约束条件和动力协调约束条件之间,柔性机器人与负载之间,以及柔性机器人之间高度耦合的复杂非线性系统,无论在动力学建模,还是控制算法方面都要比刚性协调机器人困难得多。通过对刚、柔性机器人协调操作系统本质特性的比较,利用有限元法和Lagrange方程建立了柔性协调机器人系统的动力学模型,并以系统逆动力学任务为目标,提出了通过校正机器人名义刚性运动来达到提高系统位姿控制精度的预测校正控制算法,成功给出了平面两3R柔性臂机器人协调操作刚性负载的仿真算例。     

基于UR5机器人的水下清洗装置工作空间分析及优化

清洗核电站海水格栅上附着杂物是一项危险、繁重和复杂的工作,文中提出一款水下清洗装置可以实现安全高效地完成清洗工作,该装置基于UR5串联机器人,并配备基座导轨、支承机构和机械抓手等。首先利用D-H参数法建立机器人的运动学正逆解模型,并采用蒙特卡洛法得到机器人的工作空间,然后结合清洗装置本体对机器人运动的干涉,优化机器人关节变量约束空间,并采用蒙特卡洛法得到清洗装置的工作空间。最后研究确定基座在基座导轨上滑动的行程设计值为3.92 m、支承机构支撑腿的行程设计值为4.03 m,能够满足整个清洗装置的工作空间覆盖核电站中直径约5.5 m的海水格栅,同时也满足设备轻量化和小型化设计原则。     

基于激光扫描测量臂的工业机器人运动学标定

提出一种基于激光扫描测量臂测量系统的6轴工业机器人运动学标定方法。分析了机器人本身的运动偏差和综合考虑测量系统构造的机器人坐标系与真实基座标系之间的不重合问题;建立机器人末端位置与各连杆参数相关的绝对定位误差方程,基于该误差方程,利用便携式激光扫描测量臂测量系统对不同空间位置姿态下机器人的法兰中心点进行测量,并用最小二乘法对误差方程进行解算,利用计算出的参数误差修正机器人模型中的各名义参数值,可以提高机器人运动的准确度。将该方法应用在Staubli TX90工业机器人上,实验结果表明,机器人的绝对定位精度由标定前的均值/标准差0. 742 5 mm/0. 191 0 mm减少到标定后的0. 242 8 mm/0. 098 1 mm,提高了近50%,表明该标定方法的有效性和准确性。     

重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计

关节型重载搬运机器人各运动关节动态性能和能量耗散水平直接影响机器人以及运动规划的可达性。以ABB公司生产的IRB460型重载搬运机器人为研究对象,针对其机械本体结构特性,建立重载搬运机器人三维模型。若仅考虑回转轴、大臂和小臂组成的三个自由度,重载搬运机器人系统模型可简化成空间三关节机器人系统模型;依据拉格朗日力学方程建立重载搬运机器人系统动力学模型,利用机械臂逆运动学和五次多项式插值算法完成对多关节机械臂空间轨迹规划。通过动力学仿真分析可知,重载搬运机器人各运动关节的动态性能变化稳定且能量耗散较小,且能够沿着预定轨迹完成PTP模式的运动控制。最后,搭建控制系统仿真实验平台,提出一种重载搬运机器人控制系统模型,实验结果表明,所设计的重载搬运机器人控制系统能够准确、稳定的控制各运动关节运动,验证了各运动关节驱动电动机功率参数选择的合理性,为实际的工业生产应用奠定了理论基础。     

基于关节空间模型的并联机器人耦合性分析

6自由度液压驱动并联机器人分为机械和液压两个子系统,这两个子系统可以分别建模为多刚体动力学和液压系统动力学。根据这两个子系统间存在的双边耦合关系,建立6自由度并联机器人操作空间整体动力学模型。通过雅克比变换,将操作空间动力学模型映射到关节空间,从而导出并联机器人关节空间动力学模型。利用该模型对几种典型位姿下并联机器人通道间的耦合性进行分析。分析结果表明,在整个操作空间中,并联机器人通道间存在严重的耦合,而且这种耦合作用随着并联机器人的位姿变化而发生变化,并将直接影响单通道系统的负载惯量特性,给并联机器人控制带来困难。     

用于微创外科的线驱动连续型手术机器人设计与仿真研究

针对传统手术器械定位精度低,且难以进入人体自然腔道或微创切口的问题,设计了一种用于微创外科的线驱动连续型手术机器人系统。首先,介绍了该系统的各个部分模型,包括UR串联机械臂、Stewart并联平台、连续型末端执行器以及触觉式力反馈手柄;然后,对系统中的UR机械臂和连续型末端执行器进行了运动学分析,将分析的结果导入Matlab进行了仿真,得到了不同角度的UR机械臂操作空间位姿以及不同驱动线变化量的连续型末端执行器操作空间位姿;最后,利用蒙特卡罗法对连续型末端执行器的工作空间进行了仿真分析。研究结果表明:UR机械臂可以扩展系统的工作空间,连续型末端执行器可以灵活地进入狭小非线性手术环境,整个系统能帮助医生进行手术操作,提高医疗精度。     

基于动态解区间的操作臂路径规划寻优算法

在机器人操作臂的控制过程中,末端执行器到达目标的路径规划是不可回避的问题,它是机器人操作臂控制的基础.提出了一种有动态解区间关节转角约束且有n个自由度的操作臂最优路径的算法,该算法在操作臂的初始位姿及目标住姿已知的情况下,采用各关节转角之和最小作为最优指标,寻找最佳路径.通过对平面10自由度操作臂的仿真,给出了最优解算例.将该算法向空间推广,成功地应用于YJP-Ⅱ机器人操作臂的控制中,在工程上具有较强的实用性.     

柔性臂空间机器人基于虚拟力概念的神经网络L2增益鲁棒控制

探讨本体位置不控、姿态受控的漂浮基柔性臂空间机器人系统在惯性参数不确定情况下的动力学建模与控制问题。根据系统位置几何关系、动量守恒关系和第二类拉格朗日方程,由假设模态法,建立漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。利用该模型,针对系统惯性参数不确定情况,提出具有L2扰动抑制的刚性运动神经网络L2增益鲁棒控制策略,以使柔性臂空间机器人的本体姿态到达期望位置的同时,机械臂各关节铰能够协调地跟踪关节空间的期望轨迹。为了主动抑制柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的神经网络L2增益鲁棒控制策略。提出控制器的优点在于,既不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,也无须预知系统精确的动力学模型;由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对柔性振动进行主动抑制,更适应于空间机器人系统的实际应用。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

排爆机器人五自由度操作臂灵活度优化方法

针对传统机器人操作臂灵活度优化方法忽略了获取机器人雅克比矩阵奇异值,导致操作臂灵活度过程效率降低,排爆准确度得不到明显提高。提出排爆机器人五自由度操作臂灵活度优化方法。首先对操作臂构造动力学模型,获取拉格朗日动力学方程及相关参数,对姿态概率系数和可操作度进行描述。以五自由度操作臂工作球为基础分析操作臂姿态概率系数;针对操作臂的可操作度,通过排爆机器人雅克比矩阵奇异值实现构造,建立操作臂在工作空间内的灵活度优化目标函数,通过遗传算法对目标函数进行求解,实现排爆机器人操作臂灵活度的优化。实验结果表明,所提方法优化性能佳,可有效提高操作臂灵活度。     

基于混合遗传算法的机器人操作臂最优路径规划

针对目标物体在空间的位置和姿态确定的情况下,机器人操作臂如何选择一条满足关节转角约束,且使所有关节转动角度之和为最小的最佳路径这一问题,提出了一种将遗传算法与SWIFT算法相结合的混合遗传算法,用于冗余度机器人操作臂最优路径的规划,该算法具有全局最优.最后通过对YJP-Ⅱ机器人6自由度操作臂的仿真结果,验证了该算法的正确性和可行性.