冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。     

超冗余移动机械臂的逆运动学快速求解

为了快速并精确地求解一类冗余移动机械臂(MM)运动学的优化逆解,提出了一种基于遗传信
赖域算法和解析解法相结合的运动学求逆方法. 首先使用解析解法求出机械臂逆解关于移动
车运动参数的表达式,据此表达式引入关节最佳柔顺性准则确定信赖域算法的目标函数;然
后用遗传信赖域算法快速求解此只包含移动车运动参数为自变量的目标函数的最优化问题,
据此求出运动学逆解. 仿真算例表明,该方法能快速求出精确和优化的运动学逆解.     

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。     

一种机械臂运动学研究及3D 仿真平台构建

针对川崎机械臂FS03 N的构型特点,提出了一种逆运动学的求解方法。采用DH法建立了机械臂的连杆坐标系,得到正运动学方程,通过变量分离将机械臂姿态采用欧拉角表示,得到了机械臂位姿的一组广义坐标。通过对FS03N的构型分析,采用几何法与反变换法相结合的方法,以解的组合关系为基础,得到了机械臂的8组封闭解。建立了基于Matlab的机械臂算法验证与3D仿真运动平台,验证了逆运动学解算的正确性,为机械臂的轨迹与路径规划提供了前提条件。     

六自由度模块化机械臂的逆运动学分析

针对自主研发的六自由度(DOF)模块化机械臂,提出一种逆运动学求解方法.根据机械臂的结构特点和运动学约束,对机械臂的运动学进行分析.建立该类型机械臂的正运动学模型,得到了机械臂逆运动学的完整解析解.采用Denavit-Hartenberg(D-H)法对机械臂操作空间进行描述,在考虑机械臂运动学约束的基础上,得到以关节角度为变量的正运动学模型.通过分析正运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解机械臂的正运动学模型,得到了该类机械臂逆运动学的完整解析解.通过仿真验证了正运动学模型及运动学逆解的正确性,运动学逆解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划.     

串联机械臂结构优化方法

为解决串联机械臂结构优化问题,提出一种基于工作空间和能量消耗综合指标的机械臂结构优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以满足原有全局性能指标约束为前提,以机械臂工作空间和特定工作区域上的能量消耗为性能指标,利用遗传算法优化机械臂结构参数,使优化后的机械臂不但具有原设计工作空间特性,而且运行能量消耗最优;推导了基于工作空间和能量消耗的综合性能指标计算方法,并给出基于实数编码遗传算法的机械臂结构优化算法.在某6R型串联机械臂结构优化上的应用结果表明：该机械臂结构优化方法能有效地优化机械臂结构,减小运行能量消耗,优化结果能够满足预定工作空间特性约束.     

基于位姿分离的机械臂解析求逆优化算法

针对6R机械臂逆向运动学求解过程复杂繁琐、求解精度不理想的问题,提出一种基于位姿分离的解析求逆优化算法.利用改进型D-H参数法建立机械臂的运动学模型,通过连杆变换矩阵推导出机械臂的正向运动学方程,利用位姿分离思想进行逆解优化算法设计,利用蒙特卡洛法分析机械臂的工作空间,运用Matlab Robotics工具箱验证改进算法的有效性.结果表明：该改进算法具有较高的求解精度,与现有解析优化算法相比,大幅度简化了求解过程,提高了运算效率.     

超冗余全方位移动操作臂的逆运动学求解

针对超冗余度机器人的运动学逆解求解快速性与优化性难以兼顾的问题,对于一类9自由度超冗余全方位移动操作臂,提出一种关节等效和局部优化相结合的逆运动学求解方法.分析系统结构特点,在位姿分离的基础上对不同自由度合理分组.根据手爪的抓取姿态求得腕点位置,并以关节角运动幅度最小为目标函数,将决定腕点高度的两个关节的优化求解转化为二元函数的条件极值问题,在快速准确求解的同时有效利用了系统的冗余特性.仿真实验表明,该方法能够兼顾实时性、准确性和优化性的要求.     

一种模块化机械臂的设计与运动学分析

研制一种新型机械臂模块化旋转关节.为使模块化关节结构更紧凑,采用电机、编码器和制动器轴线平行的布置方式,具有标准的机械、电气接口,可以根据需求组装成不同构型的机械臂;针对模块化机械臂运动学不具有通用性的问题,基于构型平面匹配的方法,将空间构形转换为平面几何关系,实现对机械臂的模块化运动学求解;设计了机械臂运动学仿真平台,能够快速获得不同构型机械臂的运动学;结合该模块化旋转关节的特点,构建分布式控制系统,实现了对各种构型机械臂的控制.     

六自由度机械臂运动学分析与轨迹优化

针对机械臂运动轨迹偏差较大的问题,采用D-H法建立模型,对六自由度机械臂进行了正、逆运动学的分析,基于机械臂关节轴的典型几何结构利用PIEPER准则推导逆运动学的封闭解;在笛卡尔空间中分析了直线插补和圆弧插补两种方法,通过对空间插值点的优化减小轨迹偏差,实现轨迹优化。仿真验证了算法的可行性,对机械臂在工业中的实际应用具有一定的指导意义。     

采用神经网络方法研究柔性机械臂逆运动学问题

本文以柔性机械臂为例,进行简单的逆运动学分析.并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析,可以看出,小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的振动.     

平面冗余自由度机器人自寻优运动优化方法

为了解决平面冗余自由度机器人的运动优化问题,提出一种自寻优方法。引入"臂角"参数,建立了平面4自由度机器人逆运动学的封闭解形式;针对机器人运动过程中远离关节极限的优化任务,提出一种自寻优方法,将4自由度机器人等效为四连杆机构,将优化目标转化为虚拟转矩作用于关节上,机器人将在虚拟力作用下向着平衡状态运动,最终实现机器人的运动优化。采用自寻优方法对机器人单点位姿及轨迹跟踪进行了运动仿真,结果表明:自寻优方法可以快速、有效地实现机器人的运动优化。     

一种新型空间蛇形机械臂运动学特性研究

针对当前空间机械臂存在的工作空间较小、灵活度较低等运动学方面的问题,提出了一种新型空间蛇形机械臂,取代传统的空间机械臂,并以此为研究对象,对其工作空间和灵活度等运动学特性开展了建模与仿真分析。仿真结果表明,空间蛇形机械臂在臂杆数目较少的情况下,可以提高自身的运动学冗余度,避免由于动力学奇异特性带来工作空间减小的缺陷,增大机构自身的路径无关工作空间的范围,同时可以有效地增加臂杆末端操作的灵活度。     

一种无模型的柔性关节机械臂非线性 状态观测器设计

在复杂非线性摩擦阻尼参数以及模型参数不确定的情况下,针对柔性关节机器人的状态观测问题,提出一种基于神经网络的无模型非线性观测器。采用径向基神经网络(RBF)对系统模型进行在线逼近,通过Lyapunov稳定性分析推导,获得神经网络权值自适应律;通过引入鲁棒项来抑制神经网络逼近误差,加快观测误差的收敛速度;通过不同激励下的仿真分析,验证了提出方法的有效性。     

铰碰与臂重激振下串联机械臂参数的抑振优化

针对含间隙机械臂关节铰内碰导致恶化机械臂动力学行为的问题,本文探讨了串联机械臂在铰碰与重力双重耦合作用下的振动特征。以含间隙串联机械臂为研究对象,利用运动学方程以及达朗贝尔原理推导含间隙机械臂的动力学方程,根据所得方程揭示机械臂关节处精度(间隙大小)以及各杆件质量对动力学行为的影响规律。基于铰间隙处于串联机械臂不同关节位置的情况,分析杆件质量对机械臂动力学行为的响应特征,并在此基础上提出一种优化后的多间隙机械臂模型。研究结果表明:通过对机械臂各关节处设计间隙精度的调整以及各杆件质量分布的动态优化,线性加速度与角加速度冲击最大降幅39. 80%和30. 44%,对多铰间隙机械臂的动态作业具有明显的抑振效果。     

一种仿人机械臂的运动学逆解的几何求解方法

为了简化机械臂复杂的运动规划问题,且使机械臂具有适应新任务的泛化能力,研究并实现了一种基于循环神经网络（recurrent neural network,RNN）的机械臂任务模仿系统.首先,由示教者进行原始任务示教并采集示教数据;其次,通过构建RNN对原始示教数据进行训练,得到机械臂对示教任务模仿的控制策略;然后,当任务发生变化时,观察新任务的运动并采集运动信息;最后,通过基于RNN的控制策略对新任务运动信息进行泛化输出,得到机械臂模仿新任务的控制信息,进而完成模仿.物理对象实验结果表明,系统具有简单高效的策略获取能力以及良好的泛化能力,使机械臂不仅能够模仿原始示教任务,而且可以通过泛化实现对新任务的模仿.

     

一种新型并联运动振动筛主机构及其运动学分析

提出并设计了一种新型空间3自由度并联运动振动筛主机构,该机构的运动平台具有1个移动自由度和2个转动自由度,适合于物料筛分运动;建立了该机构的运动学正逆解数学模型,并建立了运动仿真模型,为今后对该并联运动振动筛进行尺度设计及运动控制等工作奠定了基础.