冗余自由度机器人的自运动控制和动态性能优化

关节空间自运动可能出现失控是大部分冗余自由度机器人动力学优化算法都存在的问题。本文分析了产生此问题的原因，提出了解决问题的途径，在此基础上提出的两种算法不但能够处理此类问题，而已实现了关节速度模和关节刀矩的同时优化，即运动学和动力学指标的同时优化。     

一种冗余机械臂构型优化方法

针对存在结构偏置7自由度机械臂的逆运动学问题,本文提出了一种选择最优关节角参数的位置级逆运动学优化算法,根据基于关节参数固定的关节角解析解,将牛顿迭代法与拉格朗日乘子法相结合,将机械臂最优构型的计算问题转化为机械臂最优标志参数的寻根问题,分别针对关节构型、关节力矩整体进行优化,求解出最优构型。该方法与速度级逆运动学算法对比,具有计算精度高、收敛速度快的优点,并且进行了对比仿真实验。结果表明：相较于速度级算法,该方法得到的逆解没有终态自运动,位姿精度高4个数量级,关节最大受力降低了13%,并且力矩优化速度更快,具有十分重要的在轨应用意义。     

9-DOF超冗余机器人轨迹规划优化算法

以太空舱内机器人系统9-自由度（DOF）超冗余模块机器人为研究对象,以避关节极限作为优化指标,考虑容错性能,利用微分运动的方法,分别提出了适于计算机迭代计算的冗余机器人在笛卡儿空间进行手爪姿态可变时的直线轨迹优化算法和手爪经过空间中任意不共线3点决定的平面内的圆弧轨迹优化算法。在优化算法的验证实验中,实现了利用冗余机器人完成直线轨迹拉抽屉、抓棒料和圆弧轨迹开厨门等动作。     

基于单自由度腰关节的仿人机器人上身运动规划

针对仿人机器人上身的运动规划问题,提出一种新的规划算法.首先,运用机构学和机器人学的知识根据人体的生理结构特征建立上身的运动学模型.其次,从腰关节和人臂的不同运动特征出发对其分别提出了关节位移和舒适度-势能指标,构成人体上身的运动性能指标.再次,基于得到的上身运动性能指标利用梯度投影法提出仿人机器人上身的运动规划算法.最后,利用Matlab进行数值仿真,并与人体上身运动实验结果进行对比,从而验证该算法的可行性及合理性.     

仿生运动康复机器人结构设计与优化

为了给人体提供运动康复辅助和训练功能,设计了张合型下肢仿生运动康复机器人。通过前、后轮之间的差速,实现机器人鞍座可按照对标健康人体运动过程中髋关节运动轨迹进行运动,并且机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。分析了机械结构的静、动态平衡条件并做了有限元分析,以杆件壁厚值为变量,以所选材料最大许用应力、最大位移为边界条件,以最小质量为目标函数,得到了一款轻量化的张合型仿生运动康复机器人的机械结构。     

高速绳牵引并联摄像机器人冗余驱动力优化求解

将完全约束绳牵引并联机构的冗余驱动求解问题转化为凸可行域上的多项式极值问题,提出了衡量驱动优化求解连续性和实时性的指标．通过对一个典型的摄像机器人驱动力分布优化问题的求解,对比分析了几种驱动力优化指标的实时性与连续性,并给出了指标选取的具体建议．     

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。     

水下机器人运动规划中多目标遗传算法的选择方法

为探讨多目标遗传算法的选择方法对优化结果的影响,本文以水下机器人为对象,对多目标遗传算法的选择方法进行了分析和研究,提出了变权重系数法并对选择公式进行了修正,以水下机器人“Twin-Buger”为对象,进行运动规划的算例验证了本文所提出方法的有效性和可行性。     

手把手示教喷涂机器人的示教数据优化方法

针对手把手示教喷涂机器人再现运动不平稳、整体运行速度低等问题, 提出了一种基于样条曲线拟合和运动规划的优化方法。通过使用非均匀B样条曲线对示教轨迹进行拟合计算, 得到位姿拟合曲线。位置曲线和姿态曲线是分开进行离散化的。位置曲线基于S型加减速进行离散化, 减速点的寻找采用双向插补的方法。姿态和位置的同步问题, 采用建立姿态曲线参数与位置曲线参数的映射关系解决。通过仿真和实验验证了该算法能够有效地提高示教机器人再现运动的平稳性和运行速度。     

2-DOF平面并联机器人结构参数优化的研究

提出了一种新颖的高速高精度机器人机构采用高速精密直线电机驱动-2-DOF平面并联杆机构.在杆机构的设计中,以结构紧凑和抑振为目标,分别采用模拟退火算法和有限元动力仿真进行了几何尺寸和截面尺寸的优化,并提出了一种基于本模型特点的新解产生机制.实验测试结果表明经优化设计后的平面并联杆机构刚度大,高速运动下的残余振动＜1 μm,直线电机的稳定时间成为决定机器人稳定时间的关键因素.     

基于连续比例因子的冗余度机器人梯度投影算法

分析了冗余度机器人梯度投影法的研究现状,阐述了齐次解的比例因子的作用及其选择方法,提出了一种实时连续变化的比例因子计算方法。通过计算机仿真将所提出的逆运动学解方案同两个典型方案进行了比较。仿真结果表明,所提出的连续比例因子算法可以使机器人各关节角、角速度和角加速度的变化更加平滑和连续,克服了两种传统梯度投影法的缺陷。最后利用4自由度机械臂进行了实验,证明了算法的有效性。     

弱刚性平面机械手运动规律的优化

分析了具有弱刚性特征的平面机械手的运动规律，提出了以工作点加速度的局部变化幅值为目标函数的优化方法．通过实例下的仿真研究，得到令人满意的结果．     

单自由度平面连杆机构等效转动惯量计算公式

在平面连杆系统动力分析及仿真中,需要对平面连杆机构系统建立等效的动力学模型,其中等效转动惯量是一个很重要的量,因此建立平面连杆机构等效转动惯量的解析计算公式是非常必要的。在系统动能相等的条件下,以质点系动能和刚体绕质心转动动能为基础,引入多余坐标,通过平面连杆机构的非线性稳定的几何约束消去多余速度,导出了以原动件的位移为广义坐标和其他构件的位移为多余坐标表示的等效转动惯量的计算公式,并以一个实例来说明等效转动惯量公式的使用,为平面连杆机构的过渡过程动态仿真提供了理论基础。     

扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用

采用用于冗余度机器人求解的扩展雅克比方法,通过引入次级任务实现了冗余度机器人的周期性控制.介绍了自行研制的4自由度轻型机器人,以指定的空间轨迹作为主要操作任务,采用姿态控制作为次级任务,对4自由度冗余机器人进行了逆运动学求解和实验验证.并给出了机器人关节空间的期望变量,得到了关节空间和笛卡尔空间的轨迹误差.     

分级优化自重构构形匹配策略研究

针对机器人自重构过程中的构形匹配问题,提出了基于分级优化机制的自重构构形匹配策略．首先以待匹配方案与目标构形之间的公共连接作为一级优化目标;在一级优化结果的基础上结合构形连通性这一特点构造新的目标函数,即以匹配方案与目标构形之间的公共拓扑作为二级优化目标．通过设置两级优化目标,简化了构形匹配的过程．最后利用遗传算法对所提出的构形匹配方法进行了验证,结果证明了该匹配方法的可行性．     

Multi-objective optimization design for leg mechanism of hydraulic-actuated quadruped robot

In order to improve the robot’s abilities of bearing heavy burdens and transporting in complex terrains,the multi-objective optimization design for leg mechanism of the quadruped robot with hydraulic actuated is studied in this paper. The kinematics and dynamics of the robot are analyzed and the two-dimensional linear inverted pendulum model is adopted in planning the trajectories of joints. Then the mathematical model of valve-controlled asymmetric cylinder and control model of single leg are proposed respectively. In the end,NSGA-II algorithm is used to achieve the multi-objective optimization design of parameters concerning single leg mechanism and PD torque control. The results prove that the optimized leg mechanism can significantly reduce the required maximum power of hydraulic system,thus decrease its own weight and lead to the obtaining of good dynamic performance.     

具有最优初始位形的冗余度柔性杆机器人关节驱动力矩优化

提出一种在最优初始位形的基础上进行冗余度柔性机器人全程驱动力矩最优规划的方法,动力学数值模拟表明,这一方法可以取得比较好的效果。     

并联六自由度机构运动学与动力学标定对比

为了研究并联六自由度机构不同标定方法的适用性,依据运动学标定和动力学标定,分别建立了并联六自由度机构的标定模型,并通过数值仿真对标定效果进行对比分析。结果表明：运动学标定方法对提高机构运动正解精度更为有效,正解误差比动力学标定的结果小4．9％,有利于传统的基于关节空间的并联机构控制策略;动力学标定方法对提高机构动力学模型精度更为有效,关节驱动力误差比运动学标定的结果小5～25 N,更适合基于工作空间的并联机构控制策略。