基于特征建模的连续体机械臂自适应鲁棒控制技术研究

针对连续体机械臂动力学建模困难,控制难度大的问题,使用特征建模的方法,用简化等价的特征模型设计了自适应鲁棒控制器。首先,通过对机械臂系统进行分析,使用特征建模得到等价的动力学模型,然后采用递推最小二乘法进行参数辨识,得到该特征模型的特征参数,最后,利用模型与辨识得到的参数设计了一种结合滑模控制的自适应控制器。通过仿真实验对本文方法与传统PID方法进行对比,仿真结果表明,本文的方法对于末端角度控制的跟踪精度高,同时对于末端扰动有着良好的自适应能力和鲁棒性。     

一种基于几何力学的机械臂末端规划算法

在几何力学框架下提出了开链机械臂末端实时追踪避障算法.首先,将回转力引入机械臂末端的自然运动方程,可以在工作空间获得光滑的避障轨迹;其次,利用阻尼最小二乘法求解相应的逆运动学问题,得到关节空间的平滑运动轨迹;最后,通过6自由度机械臂的仿真,并与经典的RRT算法作对比,验证了所提算法的有效性.     

柔性机械臂动力学建模研究进展

刚性机械臂由于其较高的工作精度和重复性、较强的承载能力,已广泛应用于危险或相对单一、重复性高工作场景.但刚性机械臂的结构及运作方式不够灵活,无法适用于不定型、非标准、狭窄空间等生产场景.最近几年,柔性机械臂因其结构柔性、作业空间大、人机交互安全等优点而受到广泛关注,有希望应用于医疗、服务和智能制造等领域.但柔性机械臂结构柔软,运动比较自由,在作业过程中柔性效应不可忽略,这对其高精度控制提出了重大挑战.柔性机械臂控制的核心科学问题之一是建立包含结构柔性特征和动态特性的高精度动力学模型.为此,本文对柔性机械臂运动学建模和动力学建模研究进行了综述.作为动力学建模的基础,本文首先综述了柔性机械臂的运动学建模方法,主要介绍了曲率法、伪刚体运动学(PRB)方法、基于Cosserat杆的运动学建模方法、结构几何分析方法、Denavit Hartenberg(D H)法及坐标法、数据驱动和机器学习方法等.随后,本文详细综述了柔性机械臂的动力学建模方法,主要包括集中参数系统法、假设模态法、有限元法.最后,本文简述了目前柔性机械臂动力学研究的主要内容,并对未来研究做出展望.     

双连杆机械臂的动力学建模

本文以双连杆机械臂为对象,针对这一类非线性的机械模型对象,利用拉格朗日法对被控对象进行运动学建模,以便于根据模型设计各种不同的控制器,不仅使双连杆机械臂系统具有良好的稳态和暂态性能,同时也保证了系统具有较好的鲁棒性。笔者通过仿真实例验证了所给结果的有效性,为机械臂的控制提供了一种新的思路。     

机械臂逆动力学一种有效的并行算法

本文在文献〔４〕提出的一种改进的Ｎｅｗｔｏｎ－Ｅｕｌｅｒ递推公式的基础上，对刚性机械臂的逆动力学计算给出了一种并行算法，并在计算效率上与其他方法进行了比较，表明本文提出的并行算法具有很高的计算效率。     

一种六自由度机械臂的控制系统设计

针对机械臂在工业自动化等方面的需求,在分析了传统机械臂控制系统的基础上提出了一种以STM32F4为主控制器、陀螺仪传感器为关节状态检测器、舵机驱动模块为机械臂运动单元的六自由度控制系统。该系统采用扩展卡尔曼滤波算法(EKF算法),将陀螺仪采集的关节状态参数传递给EKF核心算法进行预估机械臂的运动状态,实现对机械臂运动过程中的偏差调控。实验表明,该控制系统的运动精度误差最大不超过18 mm,能够快速、准确地调控机械臂的运动轨迹。     

一种机器人大臂结构的优化设计

本文对一种进下喷浆机器人大臂的结构尺寸进行了优化设计，优化的结果可使大臂的商端沿一条近似的铅垂线运动。其工作的最大压力角和起落高度都满足了要求，同时兼顾了使关键结构件尺寸最小的原则。最终对优化结果进行了计算机图形与数据的动态仿真检验，结果是令人满意的。     

一种井下机械臂通信信号滤波方法

多自由度机械臂在煤矿井下作业时,其通信信号易受到脉冲、电磁干扰等外部因素的影响,降低信号传输可靠性,影响多自由度机械臂的灵活性和控制精度。为提高井下多自由度机械臂通信信号质量,提出了一种基于改进时频峰值滤波的井下机械臂通信信号滤波方法。根据机械臂通信信号的载波节点提取载波特征,基于希尔伯特变换理论提取传输周期特征。利用小波分解求解每一级小波变换系数,获取通信信号扰动频率,完成通信信号特征分类。引入相位补偿因子改进时频峰值滤波,根据比例因子和削减因子计算削减门限阈值,调整固定窗口长度,并采用改进时频峰值滤波滤除通信信号中的噪声,实现多自由度机械臂通信信号噪声抑制。以3自由度机械臂为试验对象,设置脉冲宽度为8μs、波特率为120 bit/s,通信信号传输时间间隔为2 ms、信号幅度为1,向通信信号加入30 dB高斯白噪声。试验结果表明：经基于改进时频峰值滤波的井下机械臂通信信号滤波方法处理后的通信信号输出信噪比为94 dB,误码率基本稳定在0.6%,丢帧率均值由滤波前的2.9%降至0.8%,有效提高了多自由度机械臂通信信号质量和传输可靠性。     

一种六自由度机械臂避障算法研究

文章首先分析了六自由度机械臂的特点,针对单个障碍物的避碰问题进行建模;接着设计了机器人避障的通用算法,利用该算法很好地解决了机器人的机械臂避碰问题,使机器人有效避障且完成任务.     

一种主从操作的连续体机器人

本文展示了一个主从操作的连续体机器人(CR:Continuum Robot)系统的开发。此系统主要包括主手部分和CR从手部分。主手是具有六个自由度的串联式结构;从手的CR具有五个自由度,包括三个空间位置自由度、一个旋转自由度和一个夹钳开合自由度。着重阐述了主手的设计、从手端CR模块的设计和CR运动学算法的开发,并进行了主从控制的初期实验验证。通过这些功能的实现,该主从操作的柔性机器人将来可以成为经自然腔道手术(NOTES:Natural Orifice Transluminal EndoscopicSurgery)的重要工具。     

一种可重构机械臂的自组织协调控制

主要研究一种新的具有树型结构的可重构机械臂的自组织协调控制问题，首先给出这种可重构机械臂的运动学、动力学方程及其结构变化的关系；然后通过研究一个较通用的任务模型建立了系统的动力学方程，由此提出一个自组织协调控制策略，最后仿真结果证明了控制规律是有效的。     

一种用于机械臂拟人化控制的学习框架

赋予机器人拟人化的动作可以使机器人的行为更具可解释性和可预测性,可以显著提升人机协作任务的质量和安全性。本文提出一个“人在回路”学习框架,从人类遥操作示教中学习拟人化姿态特征,并将学习到的特征模型应用于冗余机械臂的控制中产生拟人化动作。在模型训练过程中采用“人在回路”的在线再标注方法,克服了协变量偏移问题,将总示教时间缩减至10 min以内。人机姿态对比和动态轨迹跟踪任务实验验证了该框架训练得到的拟人化控制方法的有效性。用户评价测试表明,使用拟人化姿态约束的机械臂在主观体验方面对用户更加友好,作为共同作业的工具更容易被非专业用户所接受。     

一种基于深度学习的机械臂抓取方法

提出了一种基于深度神经网络的机械臂最优抓取位置检测方法.相比传统手工设定的特征,基于深度神经网络的方法学习得到的特征具有较强的鲁棒性和稳定性,能够适应训练集中未曾出现的新物体.本方法首先使用基于深度学习的目标检测算法对图像中的目标物体进行检测,记录目标的类别和位置.然后根据分类检测结果,使用基于深度学习的机械臂抓取方法进行抓取位置学习.仿真实验表明所提方法能对图像中的目标物体进行较为准确的分类,在Universal Robot 5机械臂上得到的抓取实验结果证明了所提方法的有效性.     

机械臂神经网络变结构控制器

本文将变结构原理引入网络控制器的鲁棒性设计，结果表明，此类控制器可自动补偿由于不精确学习或系统参数变化而引起的动态特性上的不足。     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.     

轮式移动机械臂的建模与仿真研究

移动机械臂系统一般由移动平台和机器臂组成,它既具有机器臂的操作灵活性,又具有移动机器人的可移动性,因此其应用范围要比单个系统宽得多。这篇文章主要研究了由非完整移动平台和完整机械臂组成的轮式移动机械臂系统的建模、跟踪控制及仿真问题。首先。利用拉格朗日动力学方程和非完整动力学罗兹方程建立了移动机械臂系统的精确数学模型;然后。利用非线性反馈将系统解耦。采用类PD控制器进行控制。在考虑了非完整约束及移动平台和机械臂的动态交互影响情况下,该控制算法保证系统同时跟踪给定的终端执行器和平台轨迹;最后,使用Maflah6．5对系统进行了仿真研究,仿真结果表明了其数学模型及控制方法的正确有效性。     

一种水下电动机械臂运动学与奇异性分析

水下电动机械臂是水下机器人重要的作业工具。水下电动机械臂的控制需要运动学模型,但是不同结构的水下电动机械臂其运动学模型不同。另外,水下电动机械臂存在一些奇异位置,当机械臂位于奇异位置时,机械臂末端微小变化可能引起关节位置巨大变化,从而容易损坏机械臂,因此控制中需要规避水下电动机械臂的奇异位置。文章针对一种水下电动机械臂,基于改进D-H参数法推导出机械臂的正、逆运动学方程,建立机械臂运动学模型,求得了机械臂雅克比矩阵,并分析了机械臂奇异位置,同时采用条件数判断机械臂当前关节状态的可操作性。仿真实验结果表明,文章建立的运动学模型可以根据机械臂关节位置精确计算机械臂末端位姿,也可以根据机械臂末端位姿反解机械臂关节位置;当机械臂靠近奇异位置时,条件数呈指数级增长,这说明可以采用条件数规避水下电动机械臂的奇异位置。     

一种拟人空间机械臂视觉伺服图像处理研究

针对四自由度串并混联拟人空间机械臂本体,构建了基于运动控制卡模式的机器人软件和硬件系统。采用基于位置的控制结构,利用所求得的机械臂逆运动学方程,设计了由图像反馈和末端运动组成的视觉伺服控制系统。提出了一种基于SURF特征的静态目标识别算法,算法首先对目标图像提取SURF特征,并利用欧氏距离实现模板图像与目标图像特征点匹配,然后计算已匹配特征点的质心来获得目标的位置信息,最终实现了稳定的伺服定位。实验结果证明了系统的可靠性,并且证明了四自由度串并混联机械臂本体在实际运动的精确性和稳定性。     

一种高度真实感型体的建模方法

型体对虚拟场景的表现起着很重要的作用 ,目前对型体的建模一般采用直接将型进行拉伸的办法 ,这种处理方法存在真实感不高的缺点 .本文对高度真实感型体建模流程进行分析 ,提出了如何构造与获取型体截面的方法 ,对型体截面采用曲线插值的方法获取型体截面多边形 ;基于截面多边形与多边形相邻边构成三角形的方向 ,特别提出勾边算法对型体的截面多边形进行勾边处理 ,以消除由于前后表面与拉伸面直接过渡所造成的边缘陡变 ,利用原始截面多边形与勾边处理过的截面多边形构造真实感型体 .并最终给出一些实例来说明方法的有效性     

一种自移动空间机械臂末端执行器的研制

针对中小型自移动空间机械臂在轨操作和"换位行走"的任务需求,研制了一种小型化、大容差、高刚度可靠连接的末端执行器及其相应的目标适配器.末端执行器采用单一驱动实现捕获、拉紧锁合、解锁和电连接器插拔等多种功能.考虑捕获容差条件及锁合性能要求,对末端执行器的关键机构参数进行设计.通过ADAMS建立虚拟样机,对捕获容差及锁合的功能性能进行验证.最后通过样机实验对末端执行器的功能进行验证,验证了设计的可行性及仿真的准确性.