线驱动连续型机械臂设计与运动学仿真

面向复杂空间环境的需求,设计了一种新型线驱动连续型机械臂。基于几何分析方法提出了一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级柔性关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的运动学映射关系,给出了三级柔性关节的解耦运动学算法,利用改进的蒙特卡洛法描述其工作空间,并用Matlab对机械臂进行运动学仿真,通过对原理样机的实验研究验证了运动学算法的正确性,同时展示了机械臂良好的弯曲能力。     

绳驱动连续型机械臂设计

结合国内外连续型机械臂的研究成果,设计了一种新型基于球铰关节连续型机械臂,建立了其运动学模型,对多关节运动进行解耦分析,并研制了原理样机,最后还进行了相关的实验研究及分析。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

并链式非完整机械臂机构设计及运动规划

基于非完整理论,将摩擦圆盘运动分解合成机构作为关节传动部件,提出了一种新型并链式非完整机械臂,并针对这种四关节机械臂建立了运动模型,通过对其运动规律分析证明了该系统具有非完整性和可控性。并采用将这种机械臂具有的三角形数学模型链式变换的方法,在链式空间对系统进行运动规划。分析表明,该机械臂各个关节能够在规定时间内准确地运动至目标位形,实现了两个控制电机驱动四个关节运动,具有欠驱动特性,为研究轻量化、小型机械臂奠定了基础。     

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。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

线驱动绿篱修剪机械臂运动学分析及仿真

针对当前绿篱机械臂无法在复杂环境和非结构环境下作业的问题,提出一种具有更强环境适应性、更高自由度和更大工作空间的冗余线驱动绿篱修剪机械臂。利用坐标分析法建立了单关节的运动学模型,求解了绳长与关节转角的映射关系;基于D-H参数法分析了10-DOF机械臂的正向运动学数学模型,采用遗传算法研究冗余机械臂的逆向运动学,求解了冗余机械臂的运动学逆解。仿真结果证明,遗传算法的求解精度高且求解迅速;对机械臂各关节绳索间的耦合进行了分析并推导了解耦公式。通过仿真验证了机械臂正逆运动学模型的正确性以及解耦模型的正确性,为绳驱动冗余机械臂的控制和轨迹规划奠定了基础。     

用于微创外科的线驱动连续型手术机器人设计与仿真研究

针对传统手术器械定位精度低,且难以进入人体自然腔道或微创切口的问题,设计了一种用于微创外科的线驱动连续型手术机器人系统。首先,介绍了该系统的各个部分模型,包括UR串联机械臂、Stewart并联平台、连续型末端执行器以及触觉式力反馈手柄;然后,对系统中的UR机械臂和连续型末端执行器进行了运动学分析,将分析的结果导入Matlab进行了仿真,得到了不同角度的UR机械臂操作空间位姿以及不同驱动线变化量的连续型末端执行器操作空间位姿;最后,利用蒙特卡罗法对连续型末端执行器的工作空间进行了仿真分析。研究结果表明:UR机械臂可以扩展系统的工作空间,连续型末端执行器可以灵活地进入狭小非线性手术环境,整个系统能帮助医生进行手术操作,提高医疗精度。     

欠驱动冗余度机械臂的动态自重构

分析了欠驱动冗余度机械臂不同机构模式下运动学模型及动力学模型之间的关系,给出了欠驱动机械臂工作于全驱动模式下的动力学操作性度量指标。提出了一种欠驱动机械臂工作在欠驱动模式时的基于非线性控制技术的自运动控制方法,利用少维数的控制输入实现了机械臂的多维关节空间的运动控制,使欠驱动冗余度机械臂能完成自运动流形控制。提出一种动态提高欠驱动冗余度机械臂工作于全驱动模式时的操作性能的方法,通过有两个被动关节的平面四关节欠驱动机械臂进行了仿真验证。     

机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。     

六自由度柔性关节机械臂的动力学分析

大多数的机器人都是在刚体动力学假设的基础上进行运动控制设计的,因此其在实际操作中的精度和效率受到一定的限制,而柔性机械臂可以很好地解决此类问题。首先给出了六自由度的柔性关节机械臂的简化模型,利用拉格朗日方法建立其动力学方程;然后以单自由度柔性关节机械臂为例,基于神经网络反演法对其控制率进行了设计;最后基于Simulink验证了控制器设计的有效性。     

基于柔性并联连续体的灵巧操作手的设计及分析

提出了一种新型4-DOF柔性并联连续体机构，将该机构与末端绳驱动的抓手相结合，设计完成具有灵活抓取性能的操作手。将该柔性机构通过柔性支链等效的方式等效为传统刚性连杆的并联机构，并且运用螺旋理论对该机构进行自由度分析；采用经典的Cosserat Rod模型对机构进行运动学建模；通过对比分析三种并联连续体机构的可操作度，4-DOF并联连续体机构由于具有一个额外的扭转自由度，使得操作手能够更加灵活地抓取物体，在此基础上给出了一组操作手抓取的仿真实例。最后通过试验验证机构自由度以及运动学模型的数值解，并且实现操作手灵活抓取的性能。     

Optimal actuator sizing and end point deformation for mobile robotic manipulators with elastic joint based on load criteria

Application of a numerical method to determine the maximum dynamic load carrying capacity (DLCC) for a robotic manipulator carrying an automobile petrol tank with joint elasticity subject to accuracy and actuator constraints is described in this paper. The maximum DLCC which can be achieved by a manipulator during a given trajectory is limited by a number of factors. The most important of which are the dynamic specification of the manipulator, the actuator limitations, and the elasticity of the joints such as reducers and servo drive system. Initially, the kinematic equations for carrying the automobile petrol tank by the robotic arm with 6 degrees of freedom (DOF) were calculated. The mechanical modeling was achieved via software programming. Dynamic modeling of the flexible joints manipulator was done simply for the three major axes. A method for determination of the dynamic load capacity with specific reference to both accuracy and actuator constraints is explained. The results obtained indicate the importance of both constraints and which constraint is more critical for accuracy and tracking.     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

数控机床机械手柔性定位控制方法研究

提出了新的数控机床机械手柔性定位控制方法。在柔性条件下构建数控机床机械手双作业臂的运动学模型,基于该模型设计气动定位控制硬件与控制程序,硬件选用光编码器和分周处理器等设备,软件程序通过 PLC 来编制,从而实现对机械手手臂各关节及基座等位置的定位控制。测试结果表明:应用所提方法后,作业臂旋转关节定位变量值与其定位理想值十分接近;作业臂 1 、2 的定位变量值相对误差最高不超过 0.50° 、0.40° ,平均定位误差分别为 52.805 mm 、 58.055 mm 。说明所提方法的定位控制性能能够满足设计需求。     

柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展

总结了国内外学者在柔性机械臂建模理论及其相关实验等方面的最新研究进展,系统地阐述了柔性机械臂的变形描述方法、关节动力学建模、柔性机械臂系统的动力学建模方法、臂杆的刚化和软化效应、柔性机械臂实验方法等方面的研究现状,提出了现阶段机械臂动力学理论与实验研究存在的问题与不足,预测了柔性机械臂动力学研究的主要方向和核心技术,详细分析了柔性机械臂最佳模态阶数选取、基于动力学特性的柔性机械臂系统参数优化、关节驱动规律的确定、柔性机械臂在高速运转下刚化与软化效应、柔性机械臂关节精细建模、空间柔性机械臂超低速运行时爬行现象等待解决的关键技术问题。     

基于橡胶波纹管的柔性机械手臂设计

柔性连续型机器人,相比离散关节型机器人具有高适应性与安全性的特点。针对多种应用领域,介绍一种使用压缩气体驱动的柔性连续型机械手臂原型机,利用其执行器由柔软材料制造装配而成的特点,它在抓取过程中能更好的保护表面脆弱的物体。使用橡胶波纹管,设计、制造并装配为执行器、执行器组及机械手臂,搭建实验台,建立执行器的伸长量与其内部气压的理论模型并通过实验验证,进一步测试柔性机械手臂的形变及运动性能,实现柔性机械手臂在其运动空间内可按照既定顺序工位操作的功能。结果表明,执行器的伸长量与其内部气压的理论模型准确,基于橡胶波纹管的柔性机械手臂具有较大的弯曲角度与一定的负载能力,可应用于识别与定位或物体的抓取移动等领域。     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。