一种双臂机器人离线运动规划方法研究

针对多关节双臂作业机器人的轨迹规划问题,对双臂作业机器人的结构进行分析,以双臂协调完成插孔装配任务为例,建立双臂作业机器人的运动学模型,研究双臂作业机器人的运动学约束关系,求解出双臂之间的运动学关系。基于给定任务的机器人双臂协调运动规划问题,运用遗传算法得到一种双臂机器人离线运动规划方法。通过仿真实验,验证了主臂的位置和速度曲线连续光滑,说明在运行过程中机器人比较平稳,能够满足机器人的运动规划要求。     

单目视觉双臂机器人相对位姿的快速标定

由两个独立机械臂组成的双臂机器人系统,两个机械臂分别有各自独立的基坐标系,针对此类双臂机器人基坐标系相对位姿的确定问题,提出了单目视觉双臂机器人相对位姿标定方法。将相机安装在其中一机械臂末端执行器上组成手眼系统,标定板安装在另一机械臂末端执行器上,保持安装有相机的机械臂位姿固定不动,控制安装有标定板的机械臂运动达到任意不同的拍照位置,相机拍照并同时从机器人返回并记录下每个拍摄位置的机器人参数,联立解出基坐标系间的相对位姿关系。将实验结果应用于智能变电站隔离断路器自动检修双臂机器人,证明此方法能够满足实际工作需求,便于实际应用。     

基于约束的虚拟装配技术研究

为了实现基于约束的虚拟装配操作,给出了虚拟环境中装配约束的统一表达方法,以及约束与自由度的等价关系和运动自由度的归约等,提出了一套虚拟装配中的约束处理算法。首先,利用装配关系自动识别算法,判断两个零件几何约束元素之间的位姿关系是否在给定的误差范围内;其次,使用定位求解算法,使主动体零件在满足已经确认约束的基础上,以最小的位姿调整量满足新约束;最后,提出了基于广义坐标系的运动导航算法,根据装配零件满足的约束对其运动进行引导。这些算法已经应用于集成虚拟装配环境的系统中,实践证明它们能很好地支持集成虚拟装配环境的约束处理,实现了虚拟装配过程与实际装配过程的高度统一。     

基于约束关系的服务机器人双臂协同运动控制研究

为了提高家居服务机器人在双臂协同运动作业时的准确性和安全性,提出了一种基于约束关系的双臂协同运动控制算法。通过对机器人双臂坐标系模型的建立以及运动学正逆解的分析,结合双臂运动中位置、姿态及各关节速度之间的约束关系,实现了机器人较精确的双臂协同运动。本算法已经成功应用于所研究的家居服务机器人,实验结果表明,算法具有精确度高、实时性好的特点。     

机器人装配系统的精度分析

分析了机器人装配系统中引起装配件和装配基础件相对位姿误差的主要误差来源,即机器人运动参数误差、各关节的间隙和制造误差、工件传递装置的定位误差、夹具夹爪的定位误差等;并推导出了以上各误差对装配件和装配基础件间相对位姿误差的影响关系式,为机器人自动化装配系统的设计提供了理论依据。     

基于特征约束关系的航天器大部件装配机器人机型设计方法及应用

面向狭长任务空间航天器大部件装配的定位调姿需求,提出一种装配机器人机型设计方法。该方法以大型构件装配对接过程中存在的主要特征为和空间约束为主要参考,结合空间自由曲面几何理论,总结装配过程中存在的多种典型特征,基于装配特征对应的数学描述,建立装配几何特征到机器人运动维度的映射关系;定义装配过程中轨迹规划涉及到的多种空间、位姿状态的表示方法,明确轨迹规划中的各类约束相互关系,确定机器人运动的边界范围。以典型作业环境空间站工作舱为例,研发基于PPRRPR构型的航天装配机器人。从机构构态和运动特征两个方面,结合串/并联机构的优势以及在对应约束空间下的行为特性,进一步提出基于机构行为特征的机器人优化设计方法,建立混联装配机器人的概念模型,为特定任务环境下装配及搬运大型装备的机构设计提供了一定的参考。     

双臂工业机器人设计与协调运动研究

针对双臂工业机器人在圆柱体零件轴向约束装配和径向约束装配中的实际应用,分别提出了简单可行的方案。根据工作要求分别对双臂工业机器人进行了本体结构设计;通过对机器人模型的运动学、动力学分析,验证了设计的可行性;建立了双臂工业机器人协调运动的数学模型,完成了这两种工况下的运动协调计算。通过结构设计改进与数学方法的运用,避免了繁杂的双臂协调计算并实现了预期效果。     

基于熵概念的机器人动态误差理论的研究——误差源的研究及其对位姿方程的影响

在前期工作所提出的基于熵概念机器人动态误差理论评价指标体系的基础上 ,本文针对动态误差理论误差因素的多重性和复杂性 ,对误差源的研究采用了机器人位姿误差的显著性分析方法 ,并以 SCARA机器人为例 ,通过对其 16个 DH参数的误差对操作手末端位姿的影响相对大小的分析 ,建立了推导评价指标公式所需的实用化的机器人运动方程     

产品拆卸运动仿真与干涉分析

为了支持计算机辅助设计环境下的拆卸分析过程,提出了3维拆卸仿真的基本原理和零件拆卸运动干涉的分析方法.在3维装配环境下,用位姿矩阵表达3维装配体中零件的位置和姿态,通过位姿矩阵变换控制仿真拆卸过程中的零件运动.拆卸运动中的干涉可分为接触干涉和非接触干涉两种基本类型.在拆卸运动干涉分析中,分别采用约束配合分析法和多方向动态干涉分析法对两种干涉进行了检验,最终获得了零件的实际可拆卸方向集.最后,用一个实例阐述了该方法的分析过程.     

一种少自由度飞行模拟运动平台误差分析

将一种少自由度并联机构3-PRS用作飞行模拟运动平台,为使该平台运动精度满足系统要求,对其进行误差分离与灵敏度分析。通过研究平台运动学逆解模型获得驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵,采用空间闭环误差矢量链的误差建模方法,对运动平台进行误差建模,获得各个几何误差源与终端输出位姿误差之间的映射函数,在所建立的全误差源模型的基础上,利用解析法去除冗余误差源后,借助驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵将影响该平台末端可补偿位姿误差的误差源和不可补偿位姿误差的误差源分离。最后,在整个运动空间内,借助灵敏度分析,获得影响末端不可补偿位姿误差源的全局灵敏度影响系数。根据灵敏度影响系数可指导前期设计阶段各零部件公差等级的选择以及装配阶段装配公差的确定,研究结果对同类少自由度并联机构具有指导意义。     

基于避障准则的双臂手移动机器人桁架内运动规划

针对桁架内移动的避障要求,研究双臂手移动机器人桁架内运动的规划方法。基于状态空间模型提出直角坐标空间下的六面心、八边心和八顶点搜索算法,避免了C空间内复杂度呈几何级数增长的问题,实现了末端无碰撞路径搜索。建立双臂手移动机器人三节臂的平面内避障准则,解决了机器人在桁架内运动时机器人臂与桁架杆的碰撞问题。根据平面内避障准则和臂形标志,求得了各个关节角的解析解,解决了数值解的不封闭问题。每个时刻末端姿态由通用旋转变换公式线性插值得到,在Matlab中仿真双臂手移动机器人桁架内的运动,验证了双臂手移动机器人在桁架内运动时避障方法的可行性。     

基于障碍Lyapunov函数的双臂空间机器人捕获卫星柔顺控制

空间机器人捕获卫星操作过程中不可避免地会与卫星接触、碰撞,此过程中若未对其关节进行有效的保护,很容易造成捕获操作失败,因此提出在各关节电机与机械臂之间添加一种弹簧阻尼机构,该机构不仅能够实现碰撞冲击能量的吸收及柔性振动的抑制,还能配合设计的柔顺策略实现捕获操作的柔顺化。分别利用含耗散力Lagrange方程与Newton-Euler方程导出了碰撞前的双臂空间机器人与卫星分体系统动力学方程;结合Newton第三定律、捕获点的速度及闭链几何约束获得了捕获完成后的混合体系统动力学方程,且通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;基于障碍Lyapunov函数设计了一种状态约束控制方法,实现了轨迹的高精度跟踪;采用模糊自适应控制器对系统的不确定项进行拟合,解决了系统参数不确定的影响。通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,并利用数值模拟验证了缓冲机构的抗冲击性能及所提柔顺策略的有效性。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统的动力学控制

基于假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,采用拉格朗日方程分析柔性臂的动力学关系,忽略高阶弹性振动模态,根据柔性双臂和物体的动力学方程、末端约束关系以及系统的动量守恒原理,推导一种自由浮动柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学模型。针对系统柔性状态的高频特征,采用奇异摄动法将该系统模型分离为慢变和快变两个子系统,对二者分别采用滑模变结构控制和非线性PD控制,保证刚性、柔性状态输出达到要求,由此得到的组合控制使得系统能较好地跟踪期望的轨迹,抑制弹性振动,并减小对本体运动的影响,内力、内力矩均能平稳跟踪期望值。最后进行数字仿真,验证上述方法的有效性。     

双臂机器人的协作工作空间数值计算方法

讨论了双臂机器人的协作工作空间问题,给出了计算多关节双臂机器人协作工作空间的数值方法。该方法以极值理论为基础,采用边界提取和阈值判决,确定双臂机器人的协作工作空间界限曲面和极限位置。通过对六自由度转动关节双臂机器人的数值计算实例表明了该算法的可行性。     

融合六维力感知技术的随动系统设计与测试实现

通过力对机器人进行运功控制是人机交互一个重要组成部分。将六维力感知机理与机器人控制技术融合,以力信息作为人机交互系统的控制输入,制定了响应迅速,运行稳定的随动控制策略,搭建了集成六维力感知、上位机控制、机器人系统的人机交互及测试平台,实现了机器人对于施力者的随动运动控制。基于此平台制定了轴孔装配控制策略,进行了轴孔装配测试,为补偿机器人末端运动偏转过程中所受耦合力干扰,对六维力传感器进行了运行过程中的标定,将实际补偿模型与理论模型进行了对比分析,并对机器人末端执行器进行受力补偿,结果表明,人机交互随动系统测试结果良好,为工业机器人装配任务中的初始定位不明确问题及轨迹规划示教提供了参考。     

双臂SCARA型机器人C空间快速建立方法

将可达流形与接触流形引入双臂CARA型机器人C空间的计算中，通过求取C空间的障碍物边界，确定最优的C空间离散单元，建立了双臂SCARA型机器人C空间离散数据库，为双臂机器人的无碰撞运动规划奠定了基础。计算仿真表明，本算法计算速度快，执行效率高，是一种可行的方法。     

电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析

面向输电系统检测及维护作业的自动化,提出并设计了一种可以在电力铁塔表面自由移动的五自由度双臂关节式攀爬机器人,以期代替人工完成危险的高空攀爬检测作业任务.该电力铁塔攀爬机器人机构紧凑,左右机构对称,创新采用直线推杆机构实现两臂张合功能,此机构可良好支撑机器人双臂,相比传统关节设计采用的大转矩电机直驱方式,大幅度降低了对驱动电机的转矩要求.建立了机构CAD模型.进行了静力学分析,并在动力学仿真软件Adams软件环境下进行仿真.通过和电机直驱关节方法比较,分析和仿真结果均表明采用直线推杆机构可减小驱动电机转矩.样机试验结果表明电力铁塔攀爬机器人系统的设计组成原理合理,系统方案成功可靠.     

基于力-位图像学习的工业机器人柔顺装配方法研究

利用机器人进行自动装配操作时,控制装配过程的接触力和柔顺性对于保证装配质量具有重要意义。为此提出一种基于力-位图像学习的柔顺装配方法,将装配过程中的位姿和接触力信息转化为力-位图像,然后通过对力-位图像的分类学习,获得不同初始位姿情况下的柔顺装配动作策略,从而控制机器人实现柔顺装配。首先,控制机器人完成多次装配,并在装配过程中收集机器人位姿以及装配力和力矩信息;然后,利用这些信息绘制力-位曲线并将其组合成为力-位图像,基于运动方向判定算法为力-位图像自动标记装配动作标签,以构建力-位图像数据集;最后,在力-位图像数据集上对深度学习模型进行训练,并基于深度学习模型控制机器人进行柔顺装配。为了验证该方法的有效性,以RJ45连接头和连接口间的装配为例,采集了2 500次装配操作的力-位数据,共生成92 328张力-位图像及对应标签,然后基于ResNet50网络训练力-位图像分类模型,并基于该模型控制机器人进行装配实验,装配成功率达到96.7%。     

融合旋转平移信息的机器人手眼标定方法

针对传统手眼标定方法在四自由度机器人和六自由度机器人旋转运动约束信息不满秩时无法求解的弊端,不同于传统手眼标定方法,除了包含旋转运动约束信息,同时增加了平移运动约束信息,提出了一种融合2种运动信息的约束矩阵构造方法,详细分析了约束矩阵的秩情况,并根据不同情况构造约束矩阵保证其满秩,便于计算旋转矩阵和平移向量。在实验中,分别进行了不同运动构型的六自由度机器人(Yskawa-Motoman-MH80)手眼标定实验,用相机获取不同位置的靶标图像,实验结果表明该方法即使在旋转信息不充足的情况下依然有效。另外,四自由度桌面式机器人(Yamaha Y500)手眼标定实验结果也成功地标定出了手眼关系。     

环境理解机器人接触约束装配策略研究

以T型轴与C型孔的装配操作为例,提出了一种粗、精结合的运动规划策略。根据几何环境推理,推导出装配过程的接触约束方程,由接触约束方程的组合及变化建立装配件之间的位姿关系进行粗运动规划分析。利用中轴图方法进行路径规划减少了装配过程中出现的位姿状态,建立了一条优化的粗规划路径。基于对装配环境的理解,进行了基于力控制的精运动规划分析。