提高冗余度柔性机器人载荷质量比的有效新方法

在柔性机器人实现预定运动任务时,保证末端由于弹性变形引起的运动误差不超过规定和机 器人本身质量不变的条件下,利用机器人的冗余度,优化机器人的关节初始位形,以增加机 器人末端所能承受的载荷质量,从而提高柔性机器人的载荷质量比．通过一空间4Ｒ机器人 的数值模拟验证了这一方法的有效性．     

钢结构建筑探伤机器人刚柔耦合空间位姿解析与实验研究

针对传统钢结构建筑健康监测中存在检测盲区和检测不全面的问题,研究了磁吸附式刚柔耦合柔性探伤机器人并对其控制系统进行了改进．建立了柔性机器人前、后车体位移和姿态运动学数学模型与机器人刚柔耦合结构位姿解算方程,通过惯性测量单元和编码器获取柔性探伤机器人前、后车体实时动态位姿参数,分别采用显性互补滤波器和扩展卡尔曼滤波器解算前、后车体在不同工况中的静态、动态姿态,利用航迹推算算法确定机器人的位置,通过数据融合得到柔性机器人刚柔耦合结构的空间位姿．实验结果表明,扩展卡尔曼滤波算法的动态跟踪性能更好,可为柔性探伤机器人在复杂建筑结构越障运动中提供精确的空间位姿参数．     

基于深度Q网络的人群疏散机器人运动规划算法

针对公共场合密集人群在紧急情况下疏散的危险性和效果不理想的问题，提出一种基于深度Q网络（DQN）的人群疏散机器人的运动规划算法。首先通过在原始的社会力模型中加入人机作用力构建出人机社会力模型，从而利用机器人对行人的作用力来影响人群的运动状态；然后基于DQN设计机器人运动规划算法，将原始行人运动状态的图像输入该网络并输出机器人的运动行为，在这个过程中将设计的奖励函数反馈给网络使机器人能够在"环境-行为-奖励"的闭环过程中自主学习；最后经过多次迭代，机器人能够学习在不同初始位置下的最优运动策略，最大限度地提高总疏散人数。在构建的仿真环境里对算法进行训练和评估。实验结果表明，与无机器人的人群疏散算法相比，基于DQN的人群疏散机器人运动规划算法使机器人在三种不同初始位置下将人群疏散效率分别增加了16.41%、10.69%和21.76%，说明该算法能够明显提高单位时间内人群疏散的数量，具有灵活性和有效性。     

柔性冗余度机器人残余振动的抑制研究

柔性冗余度机器人兼具柔性机器人与冗余度机器人的特点，在航空航天等领域有着十分广泛的应用前景．但是存在的结构柔性及其引起的振动造成机器人的精确控制极为困难．本文研究了柔性冗余度机器人残余振动的抑制问题，给出了一种控制方法．这种控制方法通过机器人在末端运动停止后依然进行某种自运动对残余振动进行主动的控制，使其迅速衰减．最后通过仿真验证了其可行性     

桥式直接耦合柔性机构的优化设计方法

研究设计了用于压电尺蠖驱动器中间驱动机构的桥式直接耦合柔性机构,建立了该柔性机构的简化模 型．利用卡氏定理推导了刚度方程,将柔性机构简化为单自由度弹簧质点系统,得到固有频率．通过实验测试了该 柔性机构的刚度和固有频率,并分别与有限元法和解析法的结果进行对比分析．结果表明：刚度和固有频率的解析 解误差分别为5.5%和14.1%,有限元解的误差分别为7.7%和10.1%,验证了解析解和有限元解的正确性．为了方便 初始设计阶段的参数优化设计,利用有限元方法研究了该柔性机构各几何参数对机构静动态特性的影响．给出了一 种简单有效的优化设计方法,通过改变该柔性机构的几何参数对其静动态特性进行优化．     

具有柔性关节和柔性杆的空间机器人频率特性

借助于柔性转子梁单元的动力学模型，通过一个空间４杆机器人的数值模拟，研究了综合考虑杆和关节柔性的空间机器人的固有频率与其结构参量之间的内在关系，并从理论上进行了分析．同时，讨论了柔性机器人的频率特性及动态响应的一些规律．     

基于专家系统的多移动机器人模糊自校正协调系统

研究多移动机器人的运动规划问题，在实时运动规划专家系统的基础上提出了一种串级模糊控制器，以校正实际工作环境下各机器人的运动状态与理想情况下可能产生的误差，使各机器人正确调整各自运动状态，达到协调工作的目的。     

柔性冗余度机器人力矩优化的研究

本文首先应用模态理论，对柔性冗余度机器人振动的控制问题的原理与策略进行了研究．在此基础上通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析，指出柔性冗余度机器人在通过优化其自运动实现振动抑制的同时还具有二次优化的能力，并给出了在满足抑振的前提下实现关节力矩优化的方法．最后对一个末杆为柔杆的平面三杆机械手的振动控制与力矩优化进行了仿真，结果验证了该方法的可行性．     

微小气动机器人的移动控制

根据仿生尺蠖运动机理研制了一种用于人体腔道微创诊查的气动微机器人系统。该机器人系统由前支撑单元、后支撑单元和具有3个气室的橡胶驱动器三部分组成。设计了控制机器人移动的计算机电-气控制系统,通过控制该电-气系统的继电器和高速开关电磁阀来控制机器人系统的钳位气囊和驱动器气室内的气压。通过分析一个运动周期内机器人的运动状态,给出了机器人移动的控制算法,使机器人前、后支撑单元的气囊和驱动器的气室实现有规律的充气、保持及放气3种状态,从而实现有规律的运动。研究结果表明所设计的机器人具有仿生尺蠖移动机理的柔性结构,通过所设计的电-气控制系统可实现机器人的自动移动。     

基于模态的柔性机器人协调操作系统的动力学分析

目前，对于柔性机器人协调操作动力学问题的研究已经取得了一定的研究成果，但 是这些研究大多采用有限元法来建立动力学模型，很难将这种模型应用到实际的控制中．本 文利用假设模态法和Lagrange方程，建立了柔性机器人协调操作系统的动力学方程，并给出 平面两3R柔性机器人协调操作刚性负载完成目标运动规划任务的数值仿真算例，从而验证本 方法的可行性和正确性．     

Dynamic modelling, simulation and control of a manipulator with flexible links and joints

The paper presents a dynamic modelling technique for a manipulator with multiple flexible links and flexible joints, based on a combined Euler–Lagrange formulation and assumed modes method. The resulting generalised model is validated through computer simulations by considering a simplified case study of a two-link flexible manipulator with joint elasticity. Controlling such a manipulator is more complex than controlling one with rigid joints because only a single actuation signal can be applied at each joint and this has to control the flexure of both the joint itself and the link attached to it. To resolve the control complexities associated with such an under-actuated flexible link/flexible joint manipulator, a singularly perturbed model has been formulated and used to design a reduced-order controller. This is shown to stabilise the link and joint vibrations effectively while maintaining good tracking performance.     

Calculation of repeatable control strategies for kinematically redundant manipulators

A kinematically redundant manipulator is a robotic system that has more than the minimum number of degrees of freedom that are required for a specified task. Due to this additional freedom, control strategies may yield solutions which are not repeatable in the sense that the manipulator may not return to its initial joint configuration for closed end-effector paths. This paper compares two methods for choosing repeatable control strategies which minimize their distance from a nonrepeatable inverse with desirable properties. The first method minimizes the integral norm of the difference of the desired inverse and a repeatable inverse while the second method minimizes the distance of the null vectors associated with the desired and the repeatable inverses. It is then shown how the two techniques can be combined in order to obtain the advantages of both methods. As an illustrative example the pseudoinverse is approximated in a region of the joint space for a seven-degree-of-freedom manipulator.     

Optimal redundancy resolution of a kinematically redundant manipulator for a cyclic task

This article proposes a method for the global optimization of redundancy over the whole task period in a kinematically redundant manipulator. The necessary conditions based on the calculus of variations for integral-type criteria result in a second-order differential equation. For a cyclic task, the boundary conditions for conservative joint motions are discussed. Then, we reformulate a two-point boundary value problem to an initial value adjustment problem and suggest a numerical search method based on the iterative optimization for providing a globally optimal solution using the gradient projection method. Since the initial joint velocity is parameterized with the number of redundancy, we only search parameter values in the parameterized space using the configuration error between the initial and final time. We show through numerical examples that multiple nonhomotopic extremal solutions satisfying periodic boundary conditions exist according to initial joint velocities for the same initial configuration. Finally, we discuss an algorithm for topological liftings of the paths and demonstrate the generality of the proposed method by considering the dynamics of a manipulator.     

基于动力学约束的机械臂最优关节轨迹规划

本文提出了基于机械臂关节驱动力矩约束方程规划其关节最优运动轨迹的一种有效方法.该方法运用矩阵范数理论简化机械臂的动力学约束方程;在机械臂的关节空间内采用归一化的无因次量运用非线性规划法优化其运动轨迹.将所规划的无因次量轨迹方程作为机械臂产生实际运动轨迹的发生器,通过给定机械臂各运动段的起始和终止关节坐标,由系统的动力学约束方程计算出整个运动段所允许的最短运行时间,即生成所期望的运动轨迹.本文的轨迹规划方法计算效率高,可用于在线轨迹规划,文中通过算例证实了该方法的实用性.     

Modeling and robust adaptive iterative learning control of a vehicle‐based flexible manipulator with uncertainties

In this brief, this paper deals with a robust adaptive iterative learning control (ILC) problem for a flexible manipulator attached to a moving vehicle with uncertainties. To begin with, considering the infinite dimensionality of the flexible distributed parameter system, a coupled ordinary differential equation and partial differential equation model is established without any discretization. Then, it is followed by a presentation of an adaptive ILC strategy, which can drive the vehicle and joint to the desired positions based on a proportional‐derivative feedback structure with unmodeled dynamics and external disturbances. The deformation of the flexible manipulator can also be suppressed simultaneously under the proposed control laws. By using Lyapunov's direct method, the stability of the closed‐loop system is demonstrated. The simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the proposed control laws.     

A practical method for the deformation of long-stroke hydraulic manipulators in grasping-handling tasks

Long-stroke hydraulic manipulators are utilized in various grasping-handling tasks, and the flexible deformation of these manipulators is the primary obstacle that affects precise position control of the end-effectors in Cartesian space. This deformation is manifested in the following three aspects: joint deformation, structural deformation and clearance variation. Due to deformation uncertainty, methods that model the hydraulic manipulator as a combination of flexible multibody systems and hydraulic actuators are unsuitable. In this article, we propose an incremental inverse kinematics model (IIKM) as a new approach to solving the above deformation difficulties. The projection method is used to obtain the inverse kinematic analytical solution of long-stroke hydraulic manipulators, which is based on the manipulator deformation in the current configuration (current configuration refers to the arrangement of the manipulator links when the manipulator starts to move to the target position). The proposed method avoids complex flexible multibody modeling and parameter identification, allowing long-stroke hydraulic manipulators to be accurately controlled within a certain neighborhood. An evaluation coefficient is proposed to analyze the calculation accuracy of the IIKM in combination with the success rate obtained from 190 grasping experiments. Through these experiments, we determine the optimal calculation height range of the IIKM in the vertical direction and the optimal calculation position area in the horizontal direction and prove that the IIKM result can guarantee the success of grasping-handling tasks when the end-effector is within the optimal calculation height range.     

基于压电陶瓷的柔性机器人主动抑振控制策略研究

柔性机器人因其轻质、高效、低能耗等优点已被广泛应用于航空航天,工业制造等诸多领域。然而,柔性机构易产生弯曲变形,引起系统振动而大大降低机器人的工作精度。为提高柔性机器人的工作性能,多种抑振策略得以研究与应用。提出了基于压电陶瓷（PZT）的柔性机器人振动主动抑制策略。其中,PZT传感器和PZT制动器分别被用来检测和抑制柔性臂的振动。本文构建了基于PZT材料的单自由度柔性机械臂的理论模型,并获得了传感电压与制动电压的传递函数。设计了一个可变控制方案的抑振器以抑制系统在不同频率下的振动。在COMSOL中进行仿真,获得了系统的抑振率。根据仿真结果显示,柔性臂在前三阶振动下,臂的末端位移分别得到了57.04%,57.76%与58.96%的抑制;系统的动能得到了57.95%,71.19%与87.81%的抑制。     

冗余机器人的双向自运动路径规划

冗余机器人的自运动路径规划是在保持手端任务向量不变的情况下,在关节空间内寻找一条连接机器人初始关节构形和期望关节构型的几何路径.本文给出一种双向自运动路径规划算法,其基本思想是使位于初始关节构形的真实机器人和位于期望关节构形的虚拟机器人在自运动流形上运动并收敛到同一关节构形,从而得到一条连接初始和期望关节构形的自运动几何路径.该算法克服了以往算法容易陷入局部极小构形的缺陷.仿真结果证实了算法的有效性.     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。