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。     

自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

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.     

大部件喷涂中的移动机械臂站位规划

由于机械臂的后三个关节具有极大的灵活度,且其运动对腕心的位置没有影响,因此以腕心为假想基座,采用D-H方法对机械臂进行重新建模,于是机械臂基座成为姿态固定的名义末端执行器。由名义末端执行器的可达位置的集合构成机械臂实际基座可行位置空间。在喷涂作业过程中,基座可行位置空间随腕心位置移动。通过对基座可行位置空间的交集进行分析,即可确定机械臂在实施区域喷涂作业时的可行站位区域。仿真试验结果表明:与固定规则站位生成方法相比,通过引入基座可行位置空间的概念能够快速确定机械臂站位的可选区域,扩大单次停站作业范围。     

排爆机器人机械臂奇异位形及工作空间分析

以反恐排爆机器人5自由度机械臂为研究对象,利用矢量积法求解机械臂的雅克比矩阵,在此基础上,对其进行奇异位形及工作空间分析;结合Matlab进行计算和仿真,最后求得对应的关节角度.分析排爆机器人机械臂的奇异性及工作空间,为轨迹规划、动力学分析提供了重要的前提条件.结果表明,机械臂结构设计合理,为机械臂的操控提供理论依据.     

混合驱动仿人机械臂设计与运动学分析

为提高机器人的拟人化程度,提出一种混合驱动的仿人机械臂。将四自由度线驱动机械臂结构与二自由度机器人关节模组巧妙结合构成六自由度混合驱动仿生机械臂,并对其运动学问题进行分析。基于旋量理论建立机械臂的运动学模型,通过基于空间雅克比的牛顿-拉夫森法对机械臂的逆运动学方程进行数值求解,利用Monte Carlo法分析机械臂的工作空间,并在ADAMS软件中完成机械臂的运动学仿真,通过试验对所提出运动学模型的有效性进行了验证。试验结果表明,提出的混合驱动仿人机械臂结构设计可靠,基于旋量理论求解出的运动学方程准确,对仿人机械臂的结构设计与运动学分析具有参考价值。     

基于模型预测控制的磨削机器人末端力跟踪控制算法

基于曲面预测与模型预测控制算法提出磨削机器人对连续曲面工作时的末端力控制算法。给出机械臂离散、线性化的动力学模型;根据曲面预测算法计算未来时刻的曲面坐标,通过快速算法和求逆解运算获得机械臂满足设定值时各关节的期望角度;由动态矩阵控制算法求得机械臂各关节的输入力矩,以实现对期望关节角的轨迹跟踪。在仿真试验中控制机械臂追踪未知连续曲面,证明了机械臂针对未知曲面作业时所提算法力控制的实时有效性,并且达到目标要求。     

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。     

基于鲁地拉水电站主变室的SF_6泄漏特性研究

以六氟化硫作为研究气体,以鲁地拉水电站主变室为参考对象制作试验台,通过小室试验分析了受限空间内六氟化硫在自然填充状态下不同泄漏量及不同泄漏位置时的浓度变化及分布规律,研究表明:当泄漏点位置在体源上表面中心时,受限空间内六氟化硫浓度随时间的变化过程可分为两个阶段:快速上升阶段和缓慢上升阶段,且泄漏量越大,近地面处的六氟化硫浓度越高,分层特性越明显;当泄漏点位于体源上表面,但是偏离中心点时,受限空间内两侧的六氟化硫浓度值会相差较大,靠近泄漏口的一侧浓度较高,而远离泄漏口的一侧浓度较低;当泄漏位置位于体源侧边时,受限空间内的六氟化硫浓度分布会呈现底层浓度高,扩散高度低的特点,且泄漏位置越低,底层的浓度越高.     

微创手术机器人远程运动中心机构的设计和实现

在对微创手术的作业要求及运动自由度等参数分析的基础上,提出了一种新型的RCM机构方案并对其进行详细的机械结构设计;运用D-H法进行机械臂的正运动学求解,并以此绘制机械臂的工作空间;基于对微创手术过程的分析,利用三维软件UG对远程运动中心机构典型运动过程进行了虚拟仿真,并用有限元分析软件ANSYS对重要部件进行强度分析。实验结果表明,所设计的远程运动中心机构能够较好地完成手术规划,满足微创手术要求。     

后处理全齿轮传动机械臂的设计

针对纯齿轮传动的机械臂存在的耦合关系复杂、传动件外露、灵活度低和重复定位精度低等问题,提出新型全齿轮传动的机械臂设计方案. 该方案通过运动关系解耦,将齿轮组间2种强相关耦合关系简化为1种. 基于耦合逻辑关系简化和结构优化,实现了关节全密封与无限转动的设计理念. 通过机械臂运动学解析解公式推导与全齿轮传动耦合逻辑分析结果的结合,完成适用于全齿轮耦合传动机械臂的控制算法设计. 基于耦合控制算法进行机械臂的运动空间分析与控制程序编写,实现机械臂的灵活性验证与自动控制功能,并在机械臂测试系统上进行试验验证. 仿真和试验结果表明,该机械臂的耦合原理、设计结构和控制算法可行,满足复杂放射性环境下机械臂自动化应用的需求.     

空间机械臂在轨快换高精度模块化关节的研制

研制了一种高输出力矩可实现高速比、高控制精度的在轨可维护模块化关节。首先对高负载空间机械臂进行了动力学仿真,计算出关节力矩需求。其次,确定直流无刷舵机串联谐波减速器的传动方案。直流无刷舵机本身的齿轮传动误差经过谐波传动可以忽略,又有效提高了速比;输出端谐波减速器使关节在满足力矩需求的同时,具有很高负载自重比和传动精度,整个关节的机械回差可控制在1 arc min以内。在机械精度得以保证的同时,设计了基于FPGA的空间机械臂关节硬件控制器,完成高精度传的感器信息采集处理以及关节的闭环控制,以达到3 arc min以内的闭环控制精度指标。另外,为保证此关节长期在轨服役需求,设计了在轨可更换功能以及在轨手动驱动功能;所有控制电路集成于关节内部,实现机电一体模块化,便于在轨整体拆换。最后以关节样机为实验对象,搭建关节负载-精度测试平台,通过PD控制得出关节闭环控制精度,验证了设计的正确性。     

液压伺服柔驱机构设计及其刚度连续可调分析

为满足液压机械臂工作时输出高刚度,碰撞时变刚度实现柔顺性,让机器人在不同工作条件和场景下具有相应的柔顺性,设计了一种兼具阀控泄漏量和浮动位的液压伺服柔驱机构。首先,介绍该关节结构和变刚度原理;其次,利用Amesim建立其动态仿真模型,确定阀控泄漏量和浮动位半径范围;然后,利用MATLAB/Simulink建立其刚度仿真模型,分析单个因素与关节变刚度的关系;最后,基于MATLAB拟合关节刚度多元非线性回归方程,并通过程序实现刚度初始散点和拟合四维曲线对比图。仿真结果表明：在保证较好的动态特性时,该柔驱机构刚度能在较宽范围内连续可调。     

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.     

六自由度机械臂运动学分析与仿真研究

运用D-H参数法确定机械臂的参数、坐标系,建立机械臂的运动学方程。在Matlab软件中进行数值计算,通过分析机械臂的工作空间,得到了机械臂工作空间图。在Matlab工作环境下,用机器人工具箱Robotics Toolbox对所建六自由度机械臂运动学模型的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行验证与仿真,得到了各关节的角位移、角速度、角加速度与时间的关系曲线。研究表明,该机械臂运动空间设计直观、精确,为机械臂控制系统设计、动力学分析及轨迹规划提供了理论基础和参考依据。     

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。     

HSR-JR605工业机械臂的运动仿真研究

运用D-H参数法对华中数控HSR-JR605工业机械臂进行运动学分析和参数设计;利用Matlab软件建立HSR-JR605的虚拟仿真模型,并对其进行正向运动学、逆向运动学仿真和关节空间点到点轨迹规划仿真,得到HSR-JR605的关节转动速度、关节速度、关节加速度的变化曲线,具有连续、平稳、无断点、无跳跃、无拐点等现象,从而验证了HSR-JR605工业机械臂参数的合理性和仿真模型的准确性.     

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。     

井架攀爬机器人的设计与仿真

针对石油井架的工作环境,设计了一种井架爬行机器人,以代替人工完成井架攀爬和检测任务。首先,通过工作需求确定了机器人的结构;其次,根据D-H(Diffie-Hellman)参数法求解了机器人机械臂转动以及越障的运动学方程,采用蒙特卡洛法计算得到机器臂的运动空间;最后,利用ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)仿真得到攀爬机器人在静止检测时机械臂转动对履带车吸附稳定性的影响以及越障过程中电永磁吸附足的稳定性。研究结果表明,该井架攀爬机器人可以在井架上稳定工作,且速度快于同类爬行机器人,最大拖动负载为21 kg。在机械臂旋俯仰及旋转过程中,履带车质心的波动幅值均小于0.1 mm。越障过程中,前端电永磁吸附足均不会发生侧滑、倾覆以及下滑等现象。     

输电线带电作业机械臂末端位姿误差补偿方法研究

输电线路带电作业机械臂辅助并代替人工进行线路检修作业与维护,具有广阔的应用前景。但自身与外部扰动等多重因素会使得机械臂末端位姿存在一定偏差,直接影响作业对象定位精度,为了提升机械臂末端在作业过程中的位姿精度,并使得机械臂能够自适应补偿扰动带来的影响,本文首先建立了机械臂作业过程的运动学模型,基于该运动学模型建立了机械臂关节连杆参数和关节转角存在摄动时的末端位姿误差数学模型,在上述基础上提出了一种机器人机械臂末端位姿误差补偿方法,并通过仿真实验验证了误差模型和补偿方法的有效性。最后,在带电线路上,以机械臂实现输电线路引流板螺栓紧固为例进行了检修作业,试验验证了本文所提出的机械臂末端位姿误差补偿方法的工程实用性,本文的研究对于输电线路智能运维管理具有重要理论意义和实际应用价值。