六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究

针对六自由度链式机械臂在进行正运动学、逆运动学以及轨迹规划仿真时,不易直观地验证运动学算法的正确性和轨迹规划的效果,在正确建立机械臂数学模型的基础上,重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法,并采用三维运动仿真进行了验证.开发了一套六自由度机械臂三维仿真软件,该仿真软件在VC++6.0开发平台上,首先利用分割类将基于MFC框架的窗口分割成为控制窗口和视图窗口两部分,然后利用OpenGL的图形库对机械臂进行建模,首次将正运动学、逆运动学以及轨迹规划算法融入其中开发而成.该仿真软件有效地验证了机械臂运动学模型建立的正确性,同时也对三次多项式和五次多项式两种轨迹规划方法做了直观的比较,结果表明后一种轨迹规划效果明显优于前一种.     

真空并联机器人轨迹规划仿真

为了实现FROG-LEG型真空并联机器人准确经过多个中间位姿点的路径规划,研究了类机器人NURBS曲线路径规划的关键问题.通过建立FROG-LEG型并联机器人等效的串联运动学模型,获得了机器人运动学的正反解,在运动学基础上设计了该类机器人基于NURBS曲线的路径规划方案.通过Matlab的robot tool工具箱,进行了FROG-LEG型真空并联机器人运动学和路径规划的仿真.仿真结果证明,路径规划方案可以很好的让机器人通过中间插补位姿.从而从理论上解决了FROG-LEG型真空并联机器人路径规划中需要精确经过多个插补位姿的难题,并为实现FROG-LEG型真空并联机器人采用NURBS曲线轨迹规划提供理论依据.     

六自由度机械手三维可视化仿真研究

针对Reniovo型六自由度机械手的特定构型,分析了机械手的基本结构,用D-H方法建立了其运动学模型,并推导了基于解析法的机械手正、逆运动学求解方法,针对运动学逆解,推导了基于多解自动寻优的方法,提高了机械手的可行工作空间和避碰能力,最终在运动学求解基础上设计了机械手的运动轨迹规划算法。此外,利用3ds Max进行机械手三维建模,并利用Open Gl技术实现机械手三维运动显示,以三维可视化仿真的方式对机械手的逆解及轨迹规划算法进行了仿真验证,仿真结果显示仿真机械手可以准确执行预期轨迹并达到预定的位姿,证明了上述的仿真方法对于研究机械手工作原理、工作空间及进行碰撞检测都具有参考意义。     

基于Vega的双臂空间机器人飞行及捕捉目标的轨迹规划仿真

提出了一种利用Vega来实现双臂空间机器人飞行及捕捉目标的轨迹规划仿真系统．简要介绍了仿真系统的开发环境及其实现方法．该仿真系统在SGI工作站上, 利用Multigen Creator 建模工具和三维视景仿真软件Vega来实现空间机器人本体及被捕捉目标的建模和仿真, 能为机器人的轨迹规划、运动学分析和运动控制的算法设计提供重要信息, 并能对其理论和算法的可行性加以验证．     

一种混联码垛机器人智能避障轨迹规划与仿真

由于码垛机器人应用环境复杂、不确定条件多等诸多问题,针对现有的避障轨迹规划算法存在的划分空间上的繁琐情况,提出了一种智能避障轨迹规划算法,包括障碍物信息提取和避障轨迹设计,最大程度降低障碍物信息与轨迹设计部分的耦合度,达到减少动态空间下频繁划分空间的目的.最后在OPENGL软件上研发的三维仿真平台上进行运动学仿真与验证.仿真结果表明,改进算法规划出的轨迹能有效避开障碍物且轨迹符合预期的要求,充分验证了轨迹规划算法的可行性和有效性.     

基于多机器人协调的船体分段对接系统的运动学及对接精度研究

本文研究了基于多机器人协调的船体分段对接系统的运动学和对接精度问题．根据 船体分段对接工艺特点，提出了机器人的轨迹规划算法和对接控制方案．在此基础上，讨 论了几种误差因素对系统对接精度的影响．理论分析和仿真结果都表明，在对接平台结构尺 寸存在显著误差的情况下，采用本文提出的方法仍可以保证船体分段对接精度．     

关节型机器人运动学仿真及控制系统设计

关节型机器人各运动关节动态特性和控制系统的稳定性直接影响机器人以及轨迹规划的可达性.以IRB140关节型机器人为研究对象,依据标准D-H参数法和空间位姿变换理论推导出机器人正向运动学数学模型,并采用机器人逆运动学和改进后的五次多项式插值算法实现了机器人在关节空间下进行轨迹规划时各运动关节速度和加速度过渡平滑的目的.最后...     

基于BP神经网络的排爆机械臂逆运动学分析

机械臂逆运动学是已知末端执行器的位姿求解机械臂各关节变量,主要用于机械臂末端执行器的精确定位和轨迹规划,如何高效的求解机械臂运动学逆解是机械臂轨迹控制的难点;针对传统的机械臂逆运动学求解方法复杂且存在多解等问题,提出一种基于BP神经网络的机械臂逆运动学求解方法;以四自由度机械臂为研究对象,对其运动学原理进行分析,建立BP神经网络模型并对神经网络算法进行改进,最后使用MATLAB进行仿真验证;仿真结果表明:使用BP神经网络模型求解机械臂逆运动学问题设计过程简单,求解精度较高,一定程度上避免了传统方法的不足,是一种可行的机械臂逆运动学求解方法。     

基于MATLAB的模块化机器人手臂运动学算法验证及运动仿真

针对由模块化关节构成的六自由度串联机器人手臂, 采用DH法对手臂的操作空间进行了描述, 得到了正运动学模型; 采用欧拉角表示手臂姿态, 得到了包含六个参数的用于表示手臂位姿的完备广义坐标, 并对欧拉角的几何关系进行了分析。针对SolidWorks虽然实体建模简洁方便但计算并非其强项的缺点, 编写相应接口程序, 将建立的手臂三维实体模型保留几何约束关系简化后导入MATLAB软件。基于MATLAB编写正逆运动学算法验证程序以及连杆驱动程序, 实现了手臂的仿真运动。通过仿真, 不仅更进一步验证了手臂正逆运动学解算的正确性, 而且非常直观地看出手臂末端在空间中运行的路径以及各关节的动作情况。机器人手臂正逆运动学算法正确性的验证及运动仿真为手臂的精确定位及其路径规划提供了必要的保证。     

钢筋绑扎机器人运动学建模及仿真

机器人运动学建模是研究机器人控制的基础,能够保证机器人的控制化程度。为了实现PC(Precast Concrete)构件生产过程智能钢筋绑扎,针对钢筋绑扎机器人建立了基于D-H法的运动学模型及其逆向运动学分析,并对模型用Robotics Toolbox进行了仿真验证。仿真分析验证了模型的准确性,为实现钢筋绑扎机器人的运动控制和轨迹规划奠定了基础。     

空间机器人目标捕获的自适应规划

与地面固定基座机器人不同的是,空间机器人的运动学方程中含有动力学参数。在执行目标捕获任务时,目标动力学参数的不精确会给空间机器人的规划带来致命的影响。针对目标捕获后动力学参数不精确情况下的关节空间规划问题,在建立了自由飘浮空间机器人运动学模型的基础上,给出了雅可比矩阵及其动量守恒方程中的惯性参数以及惯性参数的组合参数线性化的具体形式,提出了一种关节空间的自适应规划方法。以平面二连杆空间机器人为研究对象进行仿真验证。结果表明,所提出的自适应规划方法可以有效降低惯性参数不精确给运动规划带来的影响,为空间机器人执行目标捕获等任务时提供了任务空间内精确轨迹跟踪的能力。     

基于微分平坦与MPC的智能车换道控制算法

为了提高智能车换道的安全性,提出了一种基于微分平坦理论与模型预测控制(MPC)算法相结合的智能车换道轨迹规划与跟踪算法。该算法利用约束求解得到基于sigmoid函数的优化路径;将其与多项式参数化时间函数作为平坦输出,利用微分平坦理论构造一个非线性性能指标函数并对其进行优化求解完成车速规划;从而实现对智能车辆路径-速度分解式的轨迹规划。利用动力学模型预测控制算法线上控制的优点,对智能车的车轮转向进行实时控制,使得车辆按照规划好的轨迹行驶完成换道。通过CarSim与MATLAB/Simulink的联合仿真,将提出的轨迹规划算法应用于车辆系统仿真软件中进行验证,结果表明该算法能够实现对智能车进行轨迹规划和跟踪控制,使其安全高效地换至目标车道。     

四轮全方位移动机器人的建模和最优控制

本文研究实时动态环境中四轮全方位移动机器人的运动控制和轨迹规划.通过对机器人运动学和动力学特性的分析,给出了四轮全方位移动机器人的控制模型,并根据方程特性对其进行了合理的简化,使得计算量有效减少.同时采用Bang-Bang控制规划出时间最优的机器人运动轨迹.通过轨迹规划和控制模型的结合达到了实时控制的效果.实验证明了模型的正确性和算法的有效性.     

基于Lyapunov直接法差动驱动机器人控制算法研究

对步进电机差动驱动轮式机器人的控制算法进行了研究;通过建立轮式移动机器人的运动学模型,提出了基于Lyapunov直接法的控制算法,考虑到步进电机工作特性,建立轮式移动机器人的动力学模型,引入速度和加速度的限制策略对运动学模型控制算法输出的最大速度和最大加速度作必要的限制,最终生成速度与时间的变化关系能更好地满足实际工况;对所设计的控制算法进行仿真,仿真结果表明控制算法对轨迹误差调节快,在调节过程中不会发生速度突变,能稳定跟踪期望轨迹,在轨迹发生变化时能迅速做出反应;采用基于模型的程序设计方法,将控制算法生成的脉冲数据编译下载到STM32F407微控制器进行实验;控制算法收敛迅速,符合步进电机实际工作特性。     

基于有向图的动态最优航迹规划算法

地形跟随/地形回避(TF/TA)航迹规划是低空突防系统的关键技术之一.通常所使用的动态规划算法得到的规划航迹有时达不到目标点.针对此问题,提出一种最优航迹规划的改进动态规划算法,通过对数字地图进行网格划分并建立有向图的方法改进动态规划算法,使最优航迹能有效地回避障碍和威胁.仿真结果表明,所提出的航迹规划算法是有效的.     

基于虚拟样机的轮式起重机吊装安全性研究

研究起重机吊装轨迹优化的问题,系统缺少对吊装轨迹安全因素的控制。为确保吊装作业安全顺利,提出采用虚拟样机仿真技术检验起重机吊装过程。首先推导了三自由度起重机的正逆运动学模型及起重机的雅可比矩阵,得到起重机各关节的位置及速度对起重臂末端位置及速度之间的映射关系,运用五次多项式插值函数对起重机的吊装过程做轨迹规划。根据吊装过程规划模型,在ADAMS软件上进行仿真,仿真结果验证了吊装过程的安全性和定位的准确性。     

基于高阶多项式的爬游机器人足端轨迹规划

针对深海爬游机器人足端轨迹规划问题,采用高阶多项式拟合的方法对其进行研究;首先,介绍了爬游机器人整体结构并对其进行运动学建模,结合爬游机器人运动学模型提出了一种直线与曲线相结合的机器人足端轨迹;其次,利用四阶多项式和六阶多项式分别对机器人足端轨迹进行拟合,比较两种拟合结果可知,六阶多项式拟合方法对机器人足端速度、加速度的规划效果更佳;利用六阶多项式轨迹拟合方法对多段轨迹连接点处的速度问题进行了分析,解决了机器人在运动过程中腿部抖动问题,使机械腿具有良好的控制柔顺性;最后,根据D-H法则建立机器人单腿仿真模型,通过仿真验证了算法的可行性,进一步在水池中利用机器人实物样机验证了算法的有效性.     

基于障碍物运动预测的移动机器人路径规划

针对移动机器人局部动态避障路径规划问题开展优化研究。基于动态障碍物当前历史位置轨迹,提出动态障碍物运动趋势预测算法。在移动机器人的动态避障路径规划过程中,考虑障碍物当前的位置,评估动态障碍物的移动轨迹;提出改进的D*Lite路径规划算法,大幅提升机器人动态避障算法的效率与安全性。搭建仿真验证环境,给出典型的单动态障碍物、多动态障碍物场景,对比验证了避障路径规划算法的有效性。     

A Technique to Analytically Formulate and to Solve the 2-Dimensional Constrained Trajectory Planning Problem for a Mobile Robot

A new technique for trajectory planning of a mobile robot in a two-dimensional space is presented in this paper. The main concept is to use a special representation of the robot trajectory, namely a parametric curve consisting in a sum of harmonics (sine and cosine functions), and to apply an optimization method to solve the trajectory planning problem for the parameters (i.e., the coefficients) appearing in the sum of harmonics. This type of curve has very nice features with respect to smoothness and continuity of derivatives, of whatever order. Moreover, its analytical expression is available in closed form and is very suitable for both symbolic and numerical computation. This enables one to easily take into account kinematic and dynamic constraints set on the robot motion. Namely, non-holonomic constraints on the robot kinematics as well as requirements on the trajectory curvature can be expressed in closed form, and act as input data for the trajectory planning algorithm. Moreover, obstacle avoidance can be performed by expressing the obstacle boundaries by means of parametric curves as well. Once the expressions of the trajectory and of the constraints have been set, the trajectory planning problem can be formulated as a standard mathematical problem of constrained optimization, which can be solved by any adequate numerical method. The results of several simulations are also reported in the paper to show the effectiveness of the proposed technique to generate trajectories which meet all requirements relative to kinematic and dynamic constraints, as well as to obstacle avoidance.     

一种用于求解机械手MTTP问题的新算法及其在PVR环境中提高投射式操作精度的应用

机械手的最小时间轨迹规划（MTTP）问题是机器人技术研究的一个重要方面，由于该问题数学模型的非线性以及所对应机器人动力学上的强耦合性，使得该问题很难达到优化目标。本文提出了求解MTTP问题的一种新算法，即基于机器人运动学的加强型进化规划算法，通过数值分析和计算验证了算法的有效性，同时，我们结合该优化算法设计了一种基于投射式虚拟现实（PVR）技术的图形仿真软件，通过实现的仿真，我们发现，利用设计的仿真软件可有效地在虚拟世界中实现直觉性操作，控制和管理，从而极大地提高了投射式操作的精度。