基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学与改进奇异摄动控制

采用线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来分别描述基座及关节柔性,并在此基础上经由线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法,建立了姿态受控柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学模型。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合,推导了可分别表示系统刚性运动、基座与关节柔性运动的慢、快变子系统,并提出一种由协调运动慢变控制和基于高阶快变状态观测器的最优控制所组成的改进奇异摄动控制方案。与传统奇异摄动控制方案相比,所提改进控制方案可有效避免对系统高阶快变状态量进行实时地测量和反馈,且可适于具有较大关节柔性的柔性基、柔性关节空间机械臂的控制。仿真实验结果表明了所提方案在轨迹跟踪控制、基座与关节柔性振动抑制上的有效性。     

有限空间约束机械臂动力学协同仿真方法研究

针对多自由度注塑机械臂系统在有限空间约束条件下作高效两点重复运动需求,提出了一种基于结构动力学和控制系统运动学协同仿真的机械臂轨迹规划与优化方法。运用结构表达式驱动和link函数分别建立机械臂的结构模型和D-H模型,根据机械臂的初始位置和终止位置,对机械臂进行轨迹规划逆向运动求解,获取初始轨迹曲线和各关节角度变化曲线,将NX接口的全部操作编译成独立的M函数嵌入到MATLAB/Simulink模块的动态系统仿真模型中进行轨迹曲线的拟合。得到在有限空间约束的条件下轨迹连续,关节平滑,末端运动时间较短,满足实际需求的一条理想轨迹。     

面向聚变堆维护的重载机械臂CMOR运动学算法设计及仿真

CMOR是一种应用于未来聚变堆部件维护的9自由度冗余重载机械臂系统首先介绍了重载机械臂构型,利用D-H法建立冗余重载机械臂坐标系,对机械臂的正运动学和逆运动学进行求解并在Matlab完成仿真;然后基于蒙特卡罗法在Matlab中计算了机械臂的工作空间,仿真结果显示可达空间满足±45°要求;最后针对重载臂稳定运动要求,对机械臂关节空间进行规划轨迹并在Matlab中进行验证,仿真结果显示机械臂末端轨迹平滑,满足要求,为下一步的遥操作维护机械臂的轨迹规划等问题提供了理论依据,这对聚变反应装置的维护具有重要意义.     

酒醅抓取机械臂轨迹规划研究

酒醅出料工作是酿酒业生产环节中的必要工序,利用机械臂实现其自动化工作的难点包括工作空间狭长、酒醅形态松散易洒落。工作空间狭长,抓取末端需要进行多次抓取;易洒落,需要保证抓取末端的密闭性和抓取后运动过程中抓取末端姿态的可控性等。针对出料工作需要多次抓取的问题,提出了一种关节划分策略。依据关节重要性,划分关节类型并选择合适次数的轨迹规划算法;在满足机械臂运行性能的前提下,降低了每次抓取规划的计算难度。针对抓取末端的密闭性要求,设计了一种可以保证底部密闭的抓取末端。针对运行过程中对姿态可控性的要求,建立姿态调整模型,提高了机械臂基于关节空间下运动规划时末端姿态的可控性。     

基于四元数的机械臂平滑姿态规划与仿真

姿态迹规划在机械臂控制中占有重要的地位,插值姿态的平滑性将直接影响到机械臂末端动作的柔和度。对姿态规划的等效性进行研究,给出角加速度与角速度可控的转角规划曲线。为减小计算复杂度,采用四元数代替姿态矩阵描述末端姿态。此外,还研究了等效转角与四元数球面线性插值的关系。最后,针对自行研制的六轴机械臂模型,以LabVIEW为仿真平台,对姿态轨迹进行了仿真与讨论。仿真结果表明:所规划的姿态具有C2连续的特点,实现了平滑变化。     

改进鲸鱼优化算法在机械臂时间最优轨迹规划的应用

针对机械臂时间最优轨迹规划问题,提出一种改进鲸鱼优化算法的最优轨迹规划方法。首先把机械臂各个关节的角度、角速度、角加速度作为约束参数,在关节空间中采用五次多项式插值构造机械臂的轨迹,然后建立以机械臂运行时间最优为目标的目标函数,采用改进的鲸鱼优化算法（IWOA）来对时间进行优化,提高机械臂的运行效率。最后通过MATLAB进行仿真,结果表明,改进的鲸鱼优化算法相较于其它同类算法求解精度更高,收敛速度更快,并且经过IWOA和轨迹优化结合得到的机械臂的位移、速度和加速度曲线都是平滑的且没有明显的突变,验证了该轨迹规划方法的有效性。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

空间机械臂多目标综合轨迹规划研究

以七自由度冗余空间机械臂为研究对象,对其进行多目标综合轨迹规划研究。为了得到速度和加速度都连续的关节轨迹,首先采用三次均匀B样条曲线构造机械臂的关节空间轨迹。然后分别以机械臂运动时间最短、能量消耗最少和轨迹冲击性最小作为优化目标,以机械臂的关节位移、速度、加速度和关节力矩的限制作为约束条件,建立空间机械臂多目标轨迹规划问题的数学模型。最后使用NSGA-II算法进行数学模型求解,获得空间机械臂多目标轨迹规划问题的Pareto最优解集。仿真结果表明,在满足各项约束条件的前提下,所获得的机械臂关节空间轨迹能够达到使机械臂的多个性能指标综合最优的效果。     

有关节约束超冗余机械臂的增益优化轨迹规划

为了实现超冗余机械臂的实时在线规划,本文提出一种基于雅克比转置矩阵的人工势场轨迹规划方法。轨迹规划不仅要满足末端跟踪精度要求,而且要满足关节速度和角度约束,关节速度主要由轨迹规划算法的增益决定,而增益的大小决定系统稳态性能的好坏,通过优化势场函数和使用加权关节速度,在避免关节限制的前提下减小关节速度范数,从而能选择更大的增益。使用蒙特卡洛法建立最大关节速度与增益的关系,从而确定增益范围。分别在点对点运动和轨迹跟踪运动中选取不同的增益证明算法的正确性和有效性,并在轨迹跟踪运动中引入速度前馈,通过李雅普诺夫稳定性定理证明算法稳定性。通过以超冗余机械臂为模型仿真验证,得出在点对点运动下末端位置偏差小于10~(-4)mm,姿态偏差小于1×10~(-5)rad;轨迹跟踪运动的位置偏差小于10~(-3)mm,姿态偏差小于1×10~(-4)rad。最后进行实验验证,虽然实验过程中轨迹偏差相比于仿真增加一个数量级,但仍符合实验任务需求。     

重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计

关节型重载搬运机器人各运动关节动态性能和能量耗散水平直接影响机器人以及运动规划的可达性。以ABB公司生产的IRB460型重载搬运机器人为研究对象,针对其机械本体结构特性,建立重载搬运机器人三维模型。若仅考虑回转轴、大臂和小臂组成的三个自由度,重载搬运机器人系统模型可简化成空间三关节机器人系统模型;依据拉格朗日力学方程建立重载搬运机器人系统动力学模型,利用机械臂逆运动学和五次多项式插值算法完成对多关节机械臂空间轨迹规划。通过动力学仿真分析可知,重载搬运机器人各运动关节的动态性能变化稳定且能量耗散较小,且能够沿着预定轨迹完成PTP模式的运动控制。最后,搭建控制系统仿真实验平台,提出一种重载搬运机器人控制系统模型,实验结果表明,所设计的重载搬运机器人控制系统能够准确、稳定的控制各运动关节运动,验证了各运动关节驱动电动机功率参数选择的合理性,为实际的工业生产应用奠定了理论基础。     

冗余度机械臂零初始关节速度的运动规划方案研究

对一种基于伪逆的冗余度机械臂的运动规划方案进行研究。首先,根据机械臂结构和末端运动规划问题,建立速度层的运动学伪逆算法求解模型。其次,通过在关节速度上加约束,可实现关节速度从零开始平滑变化,并能快速趋近其最小范数解。再次,利用了位置误差补偿方法改善了运动学方程,有效消除或减小机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差,保证轨迹跟踪的精度。最后,利用MATLAB软件对平面四连杆机械臂跟踪圆形和螺旋线曲线轨迹进行了仿真实验。仿真结果表明,该运动规划方案具有指数收敛性质,运动误差能达到较高的精度等级。     

液压凿岩机器人机械臂轨迹规划研究

针对液压凿岩机器人机械臂的轨迹规划问题,提出一种液压系统与机械臂轨迹优化相结合的全局功率匹配方法.构建机械臂运动学位姿模型,在关节坐标系内基于三次多项式、五次多项式和带抛物线过渡的线性插值函数等寻优算法进行机械臂轨迹规划.搭建机械臂液压系统运动轨迹跟踪仿真模型,获取仿真环境下多液压缸协同控制的运动规律,根据不同轨迹曲线...     

改进B样条曲线应用于6R机器人轨迹优化

利用D-H标架法建立了机器人的运动学模型,并在分析轨迹规划流程基础上将改进B样条曲线用于机器人关节空间轨迹插值;在论述改进原因并详细阐述改进B样条曲线的生成方法后,给出改进B样条曲线应用时的速度与加速度性质及算法实现细节;在MATLAB 2014a平台上进行仿真实验,利用改进方法实现圆弧轨迹运动。结果表明,该方法能够有效提高机器人在关节运动及空间轨迹的平滑性,进而可优化机器人的轨迹运动。     

考虑动态倾覆稳定性的液压重载机械臂路径规划方法

针对液压重载机械臂的动态倾覆稳定性问题,提出了一种基于改进快速扩展随机树（Rapidly-exploring Random Tree,RRT）算法的路径规划方法。与只对危险工况的静态稳定性校核不同,该算法以机械臂运动过程中的动态倾覆稳定性最优为目标,在机械臂的关节空间内进行路径规划。以7个关节变量组成的七维数组作为采样点,结合正运动学与力矩法建立机械臂的动态倾覆稳定性计算模型,利用双采样点择优原则,选择其在对应位姿下抗倾覆稳定力矩最优的随机点作为采样点,以增强算法的启发性。在Matlab平台进行的仿真实验表明,改进RRT算法规划路径的倾覆裕度在3种典型工况下分别提升了37%、28%和38%,有效地改善了液压重载机械臂作业平台的抗倾覆稳定性。     

自由漂浮空间机械臂非完整运动规划的粒子群优化算法

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时,系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统,由于非完整约束的不可积性,非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多.针对这一问题,利用非完整特性研究自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动规划问题,导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.在运动规划中,引入Fourier基函数构成系统控制输入,对基函数的系数向量优化,提出一种应用粒子群优化的最优运动规划数值算法.数值仿真表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的.     

空间自由漂浮机器人运动计算机仿真

通过对空间自由漂浮机器人系统的运动特性的分析,建立了基于视觉反馈的实时目标跟踪控制算法,构建了基于实际电机的关节电机闭环控制模型.并在VC环境下建立了一个基于OpenGL的机器人可视化仿真系统,利用该系统建立动力学模型.该仿真系统可以对空间自由漂浮机器人机械臂运动时基座姿态及位置的变化进行模拟.最后在此仿真系统上进行了运动学和动力学仿真实验,验证了系统数学模型的有效性和准确性.     

基于虚拟样机的六自由度机械臂轨迹规划研究

轨迹规划研究是机械臂在工作过程中的角位移、角速度和角加速度的问题,目的是使机械臂末端平稳地完成一定的作业。本文利用MATLAB建立了六自由度机械臂虚拟样机,在虚拟样机的基础上研究轨迹规划问题。采用D-H模型对虚拟样机进行运动学分析、求解,分别用关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划两种方法进行了研究,并对比了各自的优缺点。通过仿真结果证明,建立的虚拟样机结构合理,规划方法可以提高机械臂的作业效率,为机械臂操作提高理论指导,为后续机器人更复杂的运动仿真与路径规划打下基础。     

基于SimMechanics的六自由度机械臂运动算法验证

建立了基于SimMechanics模块的六自由度机械臂离线仿真平台,创建了机械臂模型,并在虚拟环境下根据六自由度机械臂末端的运动轨迹规划,通过逆运动学模型得到了各个关节角度数据,将其发送给伺服电机,从而驱动各个关节,使机械臂能够按照预期轨迹运动。通过离线仿真,证明了机械臂运动规划算法的正确性。     

基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划

基于多项式插值的机械臂轨迹规划具有阶次高、凸包性质不够好以及计算复杂特点,传统优化方法难以对其进行优化,提出了基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划方法。该方法首先以机械臂在静态环境下点到点的运动时间最短作为优化目标,以机械臂关节的角度、角速度、角加速度作为约束参数,利用5-5-7-5次多项式对关节空间轨迹进行插值,然后运用惩罚函数法计算多项式插值时间,最后得到关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线。将该方法应用于6自由度PUMA560机器人,结果表明,相较于优化前,优化后在关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线的平顺性变化不明显的情况下,关节运行时间明显缩短了,机械臂的运行效率提高了。