基于碰撞检测的空间冗余机械臂避障路径规划

针对障碍环境中自由漂浮模式空间冗余机械臂的路径规划问题进行了研究。首先基于球形包围盒和空间叠加思想简化描述障碍物和机械臂的空间占位关系,采用直线段与球体之间相对位置关系判断是否碰撞的检测方法。然后从正向运动学出发,运用关节参数化方法,把路径规划问题变为带约束的参数优化问题,并考虑基座姿态扰动最小以及碰撞规避建立多项加权的目标函数,通过粒子群优化算法求解最优解,得到机械臂关节运动轨迹。最后以七自由度空间冗余机械臂为例进行仿真,结果表明该方法可以实现有效避障,同时基座姿态受扰很小,关节运动轨迹平滑,且机械臂末端也能够以较高精度达到期望位姿。     

复杂多场景下机械臂避障运动规划方法研究

为提高工业机械臂在狭窄通道、多障碍物等复杂多场景下避障运动规划的成功率和效率,建立了基于圆柱体和球体包围盒机械臂与障碍物之间的碰撞检测模型,并提出了一种基于启发式概率融合人工势场法的改进型RRT^*算法(P-artificial potential field-RRT^*,PAPF-RRT^*)。采样上引入概率目标偏向与随机采样点优选策略,对采样点进行位置优选约束,增强采样导向性和质量;为改变传统新节点扩展方向和特殊环境下局部最优问题,融合人工势场法的目标引力与障碍物斥力和自适应步长,使算法在APF产生的合力范围下实时引导新节点扩展方向和步长大小,降低过度的探索和碰撞区域扩展;对冗余节点进行删除,并采用三次B样条插值优化,提高机械臂轨迹的柔顺性。仿真结果表明,所提算法较传统RRT*算法在平均路径搜索时间上降低了56.75%,路径长度缩短了17.74%。导入机械臂模型后可视化仿真结果证明,所提算法可使机械臂成功避障且快速平稳运行到目标点。     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

空间机器人多臂精准协同控制技术

为了解决单臂空间机器人在轨服务任务中机械臂末端位姿控制精度有限的问题,提出了一种空间机器人多臂精准协同控制方法,该方法以3条7自由度机械臂的空间机器人(SR)为研究对象,利用Kane方法建立了具有通用性的SR动力学模型,该模型包括本体动力学方程与各条机械臂动力学方程两部分;在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了SR捕获目标过程中机械臂各关节的轨迹跟踪控制律,克服了机械臂的运动抖动问题．仿真结果表明,该方法可保证机械臂末端按照期望的轨迹运动,并且能提高机械臂末端位姿控制精度．     

面向抓取任务的移动机器人停靠位置优化方法研究

为了解决移动机器人在复杂环境中物体抓取规划成功率低以及规划时间长等问题, 本文提出了一种基于环境信息的预处理生成移动机器人停靠位置优化算法。首先对机械臂的工作空间进行分析, 得到抓取难易评价标准, 将环境中目标物、障碍物以及移动底盘位置简化为点, 投影到xy平面上, 根据抓取难易评价标准求出移动机器人优化后的底盘停靠位置; 然后针对机械臂避障问题, 采用快速扩展随机树(Rapidly-exploring Random Trees, RRT)算法实现了机械臂末端及连杆与障碍物的避障; 最后通过仿真和动作捕捉系统下的实验发现, 采用移动机器人停靠位置优化算法可显著提高抓取规划成功率和规划速度。     

基于旋转势场法的双足机器人避障路径规划方法

针对双足机器人在实际环境中运动时难以实时规避障碍物的问题,本文提出了基于旋转势场法的避障路径规划方法。该方法将足迹规划思想引入基于势场法的局部实时路径规划中,通过设计新的障碍物旋转势场来解决传统势场法的局部极小值问题,进而利用旋转势场和足迹规划间的映射关系实现双足机器人的实时避障运动。将该算法应用到一台双足机器人上进行实验验证,现场设定障碍物使路径更接近实际作业环境,机器人顺利完成了U型场地的避障,验证了该方法的有效性。     

基于改进遗传算法的移动机械臂拣选路径优化

传统移动机械臂路径规划算法没有根据抓取点分布情况对工位点坐标进行优化,效率低,对此,提出了一种基于改进遗传算法的移动机械臂拣选路径优化方法.通过对拣选物品位置的分析,建立单个工位点上移动机械臂分拣路径模型和多工位点的旅行商（TSP）问题模型,运用改进的遗传算法,在工作空间内对各个工位点的位置坐标寻优,规划出移动机械臂抓取的最短路径和多工位点间移动的最短路径.实验结果表明,与传统遗传算法可能,运用改进的等级进化选择算子和最优近邻交叉算子,遗传算法的收敛速度提高了46.15%,路径缩短了45.99%,系统运行时间减少了25.80%,提高了系统效率.     

空间遥操作动态避障型虚拟夹具技术研究

针对空间遥操作中对操作效率的要求,首先提出一种新型的基于虚拟夹具力约束控制方法,较传统交互方法提高了操作效率;在此基础上,针对复杂空间环境和一些非结构化环境因素导致的空间遥操作安全性问题,提出一种基于人工势场的虚拟夹具动态避障方法。该方法通过实时测量机械臂末端与障碍物间的距离计算势场作用力的大小,并将障碍物简化为质点和六面体模型,在障碍物进入势场作用范围时,根据变化的势场力的大小为操作人员提供额外的力觉反馈,辅助操作人员控制机械臂末端在未知环境中动态避障。通过CHAI3D搭建的虚拟现实仿真平台验证了该方法在提高操作性能的同时保证操作安全性。     

核环境多关节蛇形机械臂的运动控制系统设计

以核聚变反应舱的探测和维护作业为例,设计一种具有多关节串联式结构的蛇形遥操纵机械臂系统,结构采用轨道推送加悬臂调整的复合式操控方案。针对机械臂执行全舱作业的运动需求,对机械臂运动轨迹进行仿真分析。设计包括路径规划与轨迹控制等的机械臂运动控制算法,构建各关节在运动学上能够同步运行的多轴协调控制系统。通过搭建模拟舱几何环境,对机械臂进行运动测试,完成关节旋转角度的控制精度评估。构建机械臂系统的重力补偿模块,通过柔性模型的仿真验证对机械臂系统的末端定位精度加以评估。测试结果验证了运动控制系统的有效性。     

乒乓球机器人手臂及其击球策略

为了实现机器人自主完成击打乒乓球的操作,构建了由双目视觉摄像头、嵌入式中控、六自由度机械臂、视觉处理计算机和监控计算机等组成的乒乓球机器人系统．灵巧臂采用关节模块化设计方法,共有6个自由度,集成有关节位置、电机位置、关节力矩、驱动电流及温度等多种传感器．采用模块化、多层次的手臂电气结构,基于FPGA(field programmable gate arrays)实现关节的通讯、电机驱动、传感器信息采集与处理等功能．中控处理器实现击打策略、机械臂正逆运动学、轨迹规划等,采用Intel Core II双核嵌入式CPU作为控制核心,以FPGA作为通信逻辑控制芯片．采用系统辨识方法预测乒乓球的轨迹,通过采集多个点,有效地减少偶然误差,提高预测精度．以预测的轨迹方程、乒乓球机器人的工作空间为基础,确定击球点的位置、姿态及速度;在机械臂的任务规划中,采用多个点、多个运动过程约束手臂末端的运动路径,提高击球成功率．击球实验证明了机器人系统及控制策略的有效性．     

故障机械臂模型重构后的轨迹规划与实验分析

针对六自由度机械臂作业过程中,两个旋转或俯仰关节发生故障后的运动受限问题,提出一种基于D-H表示法的模型重构轨迹规划方法 .首先对故障前后的机械臂结构进行分析,锁定故障关节,将原六自由度机械臂转化为四自由度机械臂,然后采用D-H表示法对故障机械臂进行建模,并求取其运动学正逆解,再重新在任务空间中对机械臂进行轨迹规划.为了验证故障机械臂轨迹规划算法的有效性,进行了移动机械臂旋拧圆形门把手的实验,采集故障前后的机械臂运动数据进行分析,验证了所设计算法在直线、圆弧轨迹规划中的可行性.实验结果表明,在故障机械臂的工作空间内,模型重构后的机械臂仍能完成一定的作业任务.     

复杂环境建模与机器人避障规划研究

针对复杂环境下的机械臂作业问题,提出了一种基于空间凸多面体集模型的避碰路径规划方法。首先,给出一种利用空间凸多面体模型的复杂物体建模方法,该方法具有一套树型递归结构框架,能精确逼近任意形状的物体,并支持子物体之间的自由度连接,从而能恰当表示如多关节机械臂和电脑桌等带有运动自由度(关节转动、柜门开合、抽屉拉出等)的物体;然后,设计了一种基于直线扫掠体序列的碰撞检测方法,它能快速、准确地进行连续运动的机械臂与空间物体间的碰撞检测;最后,采用遗传算法实现了机械臂的避碰路径规划。在桌面上摆放多个复杂形状物体后,机械臂顺利完成了避障作业规划。仿真结果验证了算法的有效性,表明了其实用价值。     

冗余度机械臂容错操作中关节速度突变

为了减小关节速度突变,改善机械臂容错操作的运动平稳性并提高其操作精度,根据关节速度突变这一指标,提出了使速度突变极小化的容错运动规划算法,并利用PowerCube 4R空间机械臂和Optotrak三维动态测量系统建立了一个实验平台,实测出了容错操作中由关节速度突变引起的机械臂末端的运动误差。研究结果表明,在对机械臂进行锁定关节的容错操作时存在关节速度突变,这种突变严重影响了机械臂末端的运动精度,利用该算法可以有效地减小关节速度突变。     

冗余机械臂运动学建模与轨迹规划分析

针对七自由度冗余机械臂运动规划问题,提出了一种改进的运动学建模方法和轨迹规划方法。首先,通过改进的DH参数法建立冗余机械臂的正向运动学模型,描述从关节空间到笛卡儿空间的变换。然后,提出加权最小二乘法建立冗余机械臂的逆向运动学模型,快速求解笛卡儿空间到关节空间的变换。接着,利用五阶多项式插值函数对冗余机械臂进行关节空间轨迹规划,提高机械臂运动的平坦性。最后,在仿真中验证了本文所提方法的有效性,结果表明该方法能够有效解决冗余机械臂的运动规划问题,具有一定的实际应用参考价值。     

多关节新型机械臂设计及其坐标反馈系统研究

研制了一种多关节新型机械臂及其实时坐标反馈系统.机械臂由转动基关节、第一俯仰关节和第二俯仰关节三部分组成,转动基关节由轻型薄壁轴承支撑,采用步进电机驱动;第一俯仰关节采用步进电机直接驱动;第二俯仰关节采用步进电机经由同步齿形带驱动.机械臂由MCS-51单片机通过专用驱动器控制,机械臂末端坐标能够通过控制系统在液晶屏上实时反馈.实验表明:该机械臂运动准确,电气控制系统稳定,坐标反馈系统能够实时反映机械臂末端的坐标变化,可以满足该机械臂在科学研究、教学演示等多场合的任务要求.     

改进人工势场法和ID-BFS融合算法的无人艇路径规划研究

为解决传统人工势场法在无人艇路径规划中存在的问题,提出一种改进人工势场法和ID-BFS算法的融合算法。针对目标不可达问题,在斥力势场函数中添加目标点距离因子进行修正;针对局部极小值问题,提出一种利用虚拟目标点配合ID-BFS算法进行局部路径修正的方法;针对环境中存在大型不规则障碍物的情况,增加障碍物边界斥力模型,在障碍物实际边界处提供斥力,使算法不会穿越障碍物边界。作者结合类真实规划场景对算法进行仿真实验。试验结果表明,文中算法有效解决了传统算法存在的弊端:引入距离修正因子解决了目标不可达问题;基于虚拟目标点和融合ID-BFS算法的局部路径搜索法对局部极小值有一定的规避和逃离作用;添加障碍物边界斥力模型提高了算法在复杂环境下的适应性,并可以做到在复杂环境下的实时规划效果。     

基于任务优先级的仿人机械臂拟人运动规划

针对液体搬运是日常生活中最常见的动作之一,人臂可非常轻松地完成这一动作,但是对于仿人机械臂而言,如何使其如人臂般灵活地完成这一动作,却并不容易,以仿人机械臂运送水杯作为研究对象,对其进行任务描述.针对完成任务过程中需要同时考虑多个约束的情况,提出采用任务优先级或梯度投影法对其进行处理,并对这2种求解方法进行了比较.同时,对仿人机械臂的拟人化运动控制问题进行了研究,提出利用人臂臂姿指标来对仿人机械臂进行运动规划.最后在Inventor中建立虚拟仿真,并与人臂运动实验结果进行对比,从而验证该方法的可行性以及自主拟人运动的有效性.     

基于改进A~*算法的仿生机器鱼全局路径规划

针对传统A*算法搜索速度慢和规划路径不够优化的缺点,引入可扩展节点,对A*算法流程进行改进,以减少时间和空间复杂度,提高搜索效率,并对规划路径进行优化处理,以有效的缩短路径。对存在凹形障碍物的地图,采用后退—尝试的方法解决路径规划的失败问题,使之绕过凹形障碍物取向目标点,达到输出最短路径的目标。     

基于递阶模糊系统的人工势场法机器人路径规划

针对传统人工势场法在路径规划中容易出现局部极小点、障碍物前抖动、路径非最优等问题,提出了一种新的基于双层递阶模糊系统的人工势场法移动机器人路径规划方法.此方法通过一阶模糊系统来调整人工势场中斥力函数的斥力增益系数,使斥力的大小实时随环境的改变而改变;通过二阶模糊系统来改变斥力的方向,进而改变合力信息.仿真实验结果表明:该方法能使机器人快速地摆脱局部最小点,避免障碍物前抖动,并且达到优化路径的目的.     

基于神经网络的移动机器人路径规划

针对移动机器人在部分环境信息已知情况下的路径规划问题,运用神经网络动态路径最优算法,研究了基于传感器信息的在线路径规划方法.基于扩展卡尔曼滤波的定位方法融合了多个与机器人状态及环境相关的信息,提高了定位精度.首先建立动态的工作空间信息,基于神经网络的路径规划算法完成机器人的路径规划,根据路径点集运动趋向来调节小车移动,完成了导航的任务.对算法的性能和效率进行了分析,实验表明该方法在障碍物的信息未知的情况下,执行速度快.