绳牵引并联机器人工作空间的判定条件与解析表达

研究6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的性质,给出并证明在不同牵引绳根数下末端执行器位姿属于力旋量封闭工作空间的充要条件,分析满足矢量封闭原理的结构矩阵对应的几何特征。总结6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的判定定理,即结构矩阵满秩,在结构矩阵中存在列矢量位于6个线性独立列矢量反方向张成的六维凸锥内,且满足相关系数之和大于0。基于以上定理和性质,推导6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间边界的解析表达式,提出力旋量封闭工作空间解析求解方法。数值算例验证了方法有效可行。     

绳牵引并联机器人工作空间的存在条件证明及一致求解策略

研究欠约束、完全约束及冗余约束绳牵引并联机器人的工作空间,提出适用于三类约束的绳牵引并联机器人工作空间的一致求解策略。由作用力单向性的共同特点,将力封闭手指抓取机器人的凸条件引入至一般绳牵引并联机器人,得到其可控工作空间的存在定理。基于存在定理、凸集理论、线性代数理论和投影定理,以推论的形式给出三类约束绳牵引并联机器人工作空间存在的普遍条件,并进行充分必要性证明。给出工作空间存在的普遍条件为,机器人结构矩阵满秩,且结构矩阵的列矢量与广义外力矢量在空间超平面法向矢量方向上的投影满足方向与大小平衡。根据定理和推论,提出一种适用于三类约束绳牵引并联机器人工作空间的一致求解策略,并应用一致求解策略对三个典型机器人的工作空间进行求解和对比分析。     

绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。     

基于绳索驱动的并联康复机器人研究

针对在康复训练过程中如何协调控制患者骨盆运动轨迹的问题,设计了由6根绳索牵引的四自由度并联康复机器人。建立了并联机器人的静力学和动力学模型,分析了该机器人的工作空间。基于骨盆运动规律,对绳驱动机器人运动轨迹进行了规划,计算了驱动绳索长度、速度及加速度变化规律,并通过实验验证了所构建并联平台运动学模型的正确性。     

基于工作空间密度函数的平面冗余机器人的逆运动学求解算法

利用平面冗余机械人的结构参数结合傅里叶变换及卷积定理来构建非线性工作空间密度函数,并用该函数来描述多冗余机器人的工作空间。将工作空间密度函数仿真获得的工作空间与蒙特洛法求得的机器人工作空间进行对比,验证了算法的有效性。以工作空间密度函数为迭代方程,提出一种全新的迭代的算法来求解机器人逆运动学解析解。将该迭代算法与雅可比伪逆矩阵求逆运动学解的迭代算法进行对比,Matlab仿真结果验证了该算法在平面多冗余机械臂逆运动学求解精度及末端执行器位姿确定方面具有优越性。     

线驱动拟人臂机器人逆向运动学分析

基于最新人臂仿生理论和并联机器人研究的成果,提出一种线驱动7-DOF冗余手臂的设计方案.线驱动机构具有高刚度、高精度、高负载能力的优点,可以克服常规串联机构的缺点.介绍这种新型线驱动拟人臂机器人具体的结构,利用旋量理论描述机器人运动,在绳索张力条件的约束下,分析肩关节的工作空间.针对7-DOF机器人的逆运动学求解问题,先采用关节速度再分配法求关节速度逆解;然后与Paden-Kahan子问题法相结合,取得具有冗余控制的位置逆解,求出在给定位姿时各关节角的角度;再由关节角与绳长的关系解出各关节处驱动绳索的长度,并分析肩关节运动对腕、肘关节的耦合影响.最后在ADAMS下进行仿真,采用直线插补算法,动画图形实时显示机器人的运动情况,证明逆向运动学算法的正确性.     

基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制

在绳索牵引并联机器人中,实时测量动平台位姿是实现高精度轨迹跟踪控制的关键环节。为此,设计一种基于高性能工业相机的高速视觉测量系统,实现绳索牵引并联机器人的运动学视觉伺服控制。设计一种基于感兴趣区域的位姿跟踪算法,并且加入Auto-Regressive(AR)模型对位姿进行实时预测,避免了绳索牵引并联机器人复杂的正运动学求解。以此为基础,构建了工作空间的运动学视觉伺服控制方案,在实际6自由度绳索牵引并联机器人上进行了轨迹跟踪控制试验,试验结果表明基于高速视觉测量的工作空间控制方案明显优于基于编码器反馈的关节空间控制。     

基于旋量理论和Paden-Kahan子问题的6自由度机器人逆解算法

机器人逆解中运动学模型的建立主要采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法和旋量法。D-H参数法相对成熟,在机器人运动学分析中得到广泛应用。旋量法实际应用相对较少,但旋量法中机器人各连杆坐标系相对于底座建立,具有明确的几何意义。基于旋量法建立起的机器人运动学模型,其逆解常采用Paden-Kahan子问题方法加以求解,单纯的Paden-Kahan子问题法只能解决低自由度机器人的逆解。针对后三个关节相交于一点的6自由度关节机器人,基于旋量理论建立起机器人运动学模型,利用经典消元理论和Paden-Kahan子问题相结合的方法,提出一种机器人运动学逆解算法,并给出此类机器人运动学逆解的显式求解结果。以库卡KR-150机器人为例,利用该算法进行运动学逆解,验证了算法的正确性。     

3自由度绳索牵引并联机器人的工作空间分析

给出了所设计的平面1R2T三自由度绳索牵引机器人模型,建立了其运动学的逆解模型.在时机器人进行可达工作空间分析的基础上,提出了一种基于矢量封闭原理的可控工作空间;同时在MATLAB环境下采用Monte-Carlo方法对可达工作空间和可控工作空间进行了仿真.仿真结果表明机器人的可控工作空间都落在可达工作空间范围内,验证了可控工作空间分析方法的可行性.该方法也适用于多自由度的绳索牵引并联机器人.     

一种基于模糊决策的绳驱并联机构逆运动学算法

由于绳索数目大于运动自由度,具有冗余驱动的特点,且绳索长度求解关节角度的逆运动学过程具有高度非线性特点,难以求得解析解,同时存在测量干扰时数值计算结果误差较大。为解决该问题,设计2自由度绳驱并联平台样机,建立机构的运动学模型,基于模糊决策设计一种抗干扰的绳驱并联机构逆运动学算法。该逆运动学算法将驱动空间和关节空间进行模糊化,由绳索长度计算关节角度,从而抑制了过约束计算对测量噪声的敏感性。利用数值仿真技术对该算法和传统牛顿迭代算法进行对比,结果表明：该逆运动学算法具有较高的计算准确性和稳定性,可以用于绳驱并联机构的运动控制,具有实际应用价值。     

面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析

针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了由八根绳索驱动的索并联机构,具有结构简单、质量轻、工作空间大的特点;针对绳索并联机构的构型综合问题,定义了出线点和绳索与中心执行器连接点的关联矩阵,在此基础上考虑约束条件综合出了八索并联机构的18种有效构型;计算了不同构型的力封闭工作空间以及针对在轨装配任务时的力螺旋可行工作空间,以工作空间体积为指标筛选出了最佳构型;分析了绳索拉力范围以及绳索与中心执行器连接点的位置变化对机构力螺旋可行工作空间的影响,并且对连接点的位置参数进行了优化。     

A method of verifying force-closure condition for general cable manipulators with seven cables

This paper introduces a systematic method of verifying the force-closure condition for general 6-DOF cable-driven manipulators with seven cables. Force-closure is defined as that the inverse dynamics problem has a feasible solution for any external wrench exerted on the end-effector. For any given configuration of a 7-cable manipulator, the method can easily determine, by examining the Jacobian matrix of the manipulator, whether a solution of all-positive cable forces exists. The necessary and sufficient conditions of the proposed method are mathematically proven. The paper also addresses the application of the proposed method for determination of the force-closure workspace. As a numerical example, the shape, boundary, dimensions, and volume of the force-closure workspace of a 6-DOF, 7-cable manipulator are discussed.     

A generic force-closure analysis algorithm for cable-driven parallel manipulators

Cable-driven parallel manipulators (CDPMs) are a special class of parallel manipulators that are driven by cables instead of rigid links. Due to the unilateral driving property of cables, the cables in a CDPM must always maintain positive tension. In this paper, a methodology based on convex analysis is developed for the force-closure analysis of fully-constrained CDPMs. This method is systematic, easy to implement and satisfies both the necessary and sufficient conditions. The key point of this method is to define a critical vector that must be positively expressed by the tension vectors associated with the driving cables. The solution can be found by resolving a limited set of linear equations. Following the same approach, the method is also extended to generate the static workspace for under-constrained CDPMs. Therefore, this generic force-closure analysis can cater to the workspace analysis of both fully-constrained and under-constrained CDPMs. The computationally efficiency of the algorithm is verified through simulations.     

基于概率输出弹性凸包的滚动轴承故障诊断方法

针对弹性凸包的分类超平面仅由凸包顶点约束形成而忽略其他大部分样本点的决策贡献，导致分类精度降低的缺陷，提出了一种概率输出弹性凸包分类方法。该方法在使用凸包顶点形成分类超平面后，求出所有样本到超平面的距离，通过稀疏映射最小化交叉熵似然函数将距离输出转化成后验概率输出；在处理多分类问题时，将各个分类器的输出概率进行成对耦合，进一步提升多分类弹性凸包的分类精度和鲁棒性。将该方法应用于滚动轴承故障诊断，不同数据集验证该方法具有较高的鲁棒性且能准确识别滚动轴承故障。     

并联机构驱动奇异的分层递阶滑模控制方法

以提高奇异鲁棒稳定性、控制精确性和降低控制能耗为目标,研究了并联机构的驱动奇异运动控制。以3-RPR型并联机构为例,运用螺旋理论和多刚体动力学理论进行了运动学分析和动力学建模;分别采用基于分层递阶结构的滑模控制方法和基于伪逆的滑模控制方法设计了运动控制器,对工作空间内不同的典型奇异位置进行了镇定控制仿真。结果表明,这两种控制方法均可达到较高的控制精度和较快的响应速度,且前者控制输入量更小、能耗更低。     

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。     

A feature-based approach for optimal workpiece localization and determination of feasible clamping regions

In this paper, we present an approach for optimally selecting the locating positions of workpieces and identifying feasible clamping regions that meet the requirements of the form-closure principle for fixture layout. This approach firstly finds an optimal configuration of locating points on a set of faces of the workpiece which minimizes the error transfer from locating points to machining features. In the formulation of the optimization, the error transfer is modeled using an error transfer matrix. The eigenvalues of the matrix are used as objective functions of the optimization. Secondly, this approach computes the clamping wrench cone and its member wrench can form a form-closure fixture layout, together with the formerly selected locating points. Finally, it generates the feasible clamping regions by projecting the clamping wrench cone onto faces of the clamping feature faces. An example is included to illustrate the effectiveness of the proposed approach. Compared with traditional methods in which only error transfer from the locating points to the workpiece’s mass-center is considered, the error transfer control in this approach is more effective and of greater efficiency. In addition, the clamping wrench cone projection method for the generation of feasible clamping regions is more suitable for handling cases with concave clamping faces than traditional convex-combination-based methods.     

基于运动相对性的六足机器人机体运动规划

将处于支撑相的六足机器人视为时变的并联机构进行运动学分析,给出了姿态给定情况下机体工作空间的确定方法及边界方程。在此基础上基于运动相对性原理,提出将机体的运动规划转化为足端轨迹规划的方法,从而简化机体运动规划中逆解的求取问题,并通过仿真与实验进行了验证。结果表明：六足机器人在支撑相内机体的工作空间为至多是支撑腿条数个空心球体的交集,利用运动相对性原理对支撑相内机体的运动规划问题进行转化简便、可行。     

基于旋量理论凯恩动力学方程的开链机器人动力学分析

简介了主动力旋量、惯性力旋量、偏速度旋量、偏速度旋量矩阵及开链机器人旋量理论凯恩动力学方程.以三连杆开链机器人为例分析了其动力学.     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。