基于点球约束的七自由度机器人误差建模与参数辨识

自动化装配对于机器人绝对定位精度提出了更高的要求,由于各种误差因素的影响,机器人理论位姿和实际位姿总是存在着一定的误差,若绝对定位精度过低,容易导致装配过程中零部件之间发生碰撞,严重影响着装配机器人的应用与推广。标定技术是提高定位精度的主要手段,误差建模、数据测量、参数辨识是标定与误差补偿过程中的重要环节。为此,提出了一种基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法：1)通过在机器人末端安装的六维力传感器反馈末端受力情况控制机器人以多种姿态使标定锥与靶标球球面重合,记录接触时各关节的位置数据;2)以靶标球球体半径为适应度函数,利用遗传算法辨识误差参数,从而建立完整的误差补偿模型。以自主研制的七自由度装配机器人为研究对象,针对装配机器人的结构特点,由正向递推建立机器人的正运动学方程,应用固定关节法与反变换法获得机器人逆运动学方程;基于D-H模型,建立机器人的运动学误差模型,在理论研究中,预设定误差参数与位姿变换矩阵,通过牛顿迭代法获取了关节变量值,将关节变量值代入正运动学方程进行验证,利用遗传算法进辨识误差参数,将辨识结果代入运动学模型中进行验证,机器人定位精度得到明显提高。通过实验,采用点球式标定方法采集机器人关节数据,应用遗传算法辨识误差参数,将所求得的误差参数代入误差模型中进行实验,绝对定位精度提升了76.74%,验证了基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法的有效性,为多自由度机器人标定研究提供有益参考。     

基于MATLAB的6R焊接机器人运动学的仿真研究

为了更好地控制焊接机器人进行精准的焊接作业,以ABBIRB1600型焊接机器人为研究对象,利用MATLAB分析了它的正运动学、逆运动学和轨迹规划问题。基于标准D-H法对其进行建模,建立正运动学方程;在正向运动学的基础上,通过矩阵求逆的方法生成多组非线性方程并得到机器人各关节角度变量的8组解;在关节空间内对该机器人进行运动轨迹仿真,得到各关节轴的角位移、角速度和角加速度随时间变化的平滑曲线,仿真结果证明了所建立的运动学方程的正确性以及该机器人参数的合理性。为后续焊接机器人的轨迹规划研究提供了必要的理论基础和正确的运动学模型。     

平面机械系统运动学的分析方法

本文介绍一种机械系统运动学分析的通用方法。文中根据多刚体系统运动学的原理,建立了受约束机械系统的运动约束方程、速度方程及加速度方程,还详细推导了以铰接副及滑动副连接的两邻接刚体的雅可比矩阵和加速度方程右边项,以求进一步说明本方法。文后还给出了实例。     

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.     

三分支空间机器人的迭代运动学逆解

基于旋量理论指数积公式及空间雅可比矩阵,对三分支空间机器人逆运动学求解问题进行了研究,提出了一种通用的三分支机器人逆解迭代算法,并建立了统一的逆运动学求解模型。对于具有球腕结构的三分支机器人,给出了位姿解耦形式的简化算法。该算法较速度级控制法计算精度更高,且不依赖于机器人的构型,适合于构型不确定的模块化机器人。通过搬运物体的仿真试验,验证了算法的有效性。     

内窥镜操作机器人灵活性分析及仿真验证

在微创手术中为了使内窥镜的姿态满足外科手术的需求,借助于服务球、服务点、服务区的概念给出机器人灵活度空间的分布.根据七自由度内窥镜操作机器人结构特点,采用位姿分解方式求得位置运动学解析逆解.针对微创胸腹腔手术的临床需求,分析了该机器人的灵活性,提出了内窥镜操作机器人灵活度空间分布的分析方法,并通过数值方法对工作空间内任意点仿真得到机器人灵活度的空间分布.对机器人逆解和灵活度分布进行仿真验证,证明该方法的正确性,表明内窥镜操作机器人的灵活度满足实际的手术需求.掌握运动学和灵活度空间分布,为后续机器人控制方法的实现和术前的路径规划提供了必要的理论依据.     

七自由度番茄收获机械手的轨迹规划与仿真

为了探究番茄果实串收获机械手的轨迹规划方法,以七自由度番茄收获机械手为研究对象,运用D-H法建立运动学模型,得到位置和速度的正、反解.采用多项式插值法、抛物线过渡的线性插值法、摆线运动法和B样条插值法,对关节约束条件下的机械手,从复位点到采摘点的运动进行关节空间轨迹规划与仿真试验.分析关节运动的位移、速度和加速度,对不同规划方法的关节最大速度进行定量分析.利用五次多项式法和摆线运动法,研究末端执行器的位移和速度. 结果表明,利用五次多项式插值法能够满足关节路径点的位移、速度和加速度边界条件,规划的关节运动轨迹连续平滑,关节最大速度较摆线运动法平均降低了6.25%,提高了机械安全性能,对应的末端执行器运动轨迹平滑,无跳变点.     

Simulation of failure process of jointed rock

A modified discontinuous deformation analysis (DDA) algorithm was proposed to simulate the failure behavior of jointed rock.In the proposed algorithm,by using the Monte-Carlo technique,random joint network was generated in the domain of interest.Based on the joint network,the triangular DDA block system was automatically generated by adopting the advanced front method.In the process of generating blocks,numerous artificial joints came into being,and once the stress states at some artificial joints satisfy the failure criterion given beforehand,artificial joints will turn into real joints.In this way,the whole fragmentation process of rock mass can be replicated.The algorithm logic was described in detail,and several numerical examples were carried out to obtain some insight into the failure behavior of rock mass containing random joints.From the numerical results,it can be found that the crack initiates from the crack tip,the growth direction of the crack depends upon the loading and constraint conditions,and the proposed method can reproduce some complicated phenomena in the whole process of rock failure.     

2UPR/UPS/UP并联机构的动力学建模与仿真

以一种具有空间三自由度的2UPR/UPS/UP冗余并联机构为研究对象,根据机构的约束条件建立各支链的闭环约束矢量方程,求得机构的位置反解并得到雅可比矩阵.根据运动学分析,得到3个驱动支链的变化规律,方便实现对机构的位姿控制.在此基础上,利用虚功原理对机构的动力学进行分析,建立该机构的动力学模型.最后,在典型工况下对机构的运动学和动力学分别进行Matlab算例仿真与Adams样机仿真,通过对比仿真结果验证运动学和动力学模型的正确性.该方法为并联机构的设计和控制奠定理论基础,同时适用于类似机构的研究与分析.     

基于分离-重构技术的6R机器人逆解新方法

提出一种利用分离-重构技术求6R机器人逆解的新方法.首先利用螺旋理论对机器人进行正向运动学建模,然后利用指数积公式的变换,证明了n自由度机器人的可分离性,以及重构连接的通用几何约束;最后以PUMA-560机器人为例,给出其分离及重新连接的几何约束条件.在满足约束条件的前提下,推导出各个关节角求解公式,最终求得机器人逆运...     

压脚压紧力作用下的机器人变形预测和补偿

针对工业机器人在压脚压紧力作用下由于结构变形所引起的压脚沿工件表面滑移的问题,提出压脚约束下的机器人刚度模型,并基于该模型对机器人变形进行预测和补偿,以提高机器人制孔的定位精度. 基于改进的Denavit-Hartenberg方法建立机器人运动学模型;在此基础上,通过研究机器人末端平移变形与压脚压紧力之间的相互耦合关系,建立压脚约束下的机器人刚度模型,通过基于L-M算法的关节刚度辨识实验获得机器人6个关节刚度的具体数值;应用该刚度模型预测一定压脚压紧力作用下不同孔位的机器人末端平移变形,并对理论孔位信息进行离线补偿. 试验结果表明,在采用上述方法补偿机器人滑移变形后,机器人制孔的平均位置误差由原先的0.22 mm降低到0.05 mm,满足机器人自动化制孔定位精度要求.     

摄像机械手结构设计及运动学方程求解

针对传统拍照方式和大型摄像吊臂存在的问题和弊端,设计一种可以实现摄像吊臂功能的机械手。对摄像机械手的关节个数及运动副进行设计,使其完成摄像吊臂的基本功能。并通过Denavi-Hartenberg（D-H）方法,建立机械手的运动学数学模型,且进行了正、逆运动学分析,实现了摄像机械手的运动学方程的求解。     

Rank-1 constraint for camera calibration based on spheres

With the rank-1 constraint, a method for camera intrinsic parameters calculation based on spheres is proposed. The geometric interpretation of the rank-1 constraint is explored from the relation of the image of the absolute conic and the sphere image. Three algebraic equations are derived from the rank-1 constraint. The relation of the sphere images and the camera intrinsic parameters is clearly interpreted in vision geometry. Finally, a nonlinear optimized method is used with the three constraint equations for improving the accuracy. Experimental results show that our method is robust. Compared with the traditional method, it can improve the accuracy of the results of the intrinsic parameters.     

高集成三自由度解耦球型手腕

针对空间机器人手腕集成度低和灵活性差的问题,提出一种由相对独立运动链组成的三自由度解耦球型手腕机构,采用双万向节和双半球结构来保证腕关节的紧凑性与灵活性.分析运动传动关系和工作空间区域,完成三自由度解耦球型手腕的结构设计,推导正、逆运动学方程和雅克比矩阵,分析结构解耦和运动解耦特性,建立作业空间与关节空间的运动传递关系.构建三自由度解耦球型手腕试验平台,进行侧摆、俯仰、自转试验和末端运动轨迹验证试验.研究结果表明,解耦球型手腕运动灵活、平稳,姿态角调整范围大,轨迹跟踪准确.     

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。     

An on-line tool path smoothing algorithm for 6R robot manipulator with geometric and dynamic constraints

The tool path smoothness of the industrial robot directly influences the dynamic performance of its motion control. Therefore, it is important to smooth the path that is composed of small linear segments, in order to achieve continuous and smooth movement.This paper uses the FIR filter interpolation method to generate the smooth tool tip position and tool orientation trajectory for robot manipulators with 6 rotational(6R) joints. The geometric smoothness and motion interpolation are achieved in one step.The maximum velocity and acceleration of joints are constrained when calculating the time parameters of the FIR filter. By specially designing the overlapping time at transition corners, the tool tip position and tool orientation deviations are all constrained in the workpiece coordinate system. Considering the complexity of the inverse kinematics of the robot, in order to constrain the velocity and acceleration of robot joints, this paper proposes a simplified method which directly establishes the relationship between joint motion and tool motion through the derivative of joint motion to tool motion without considering the inverse kinematics. Simulation and experiment results show that the algorithm can generate continuous acceleration commands of the tool tip position and tool orientation within the corner error tolerance. The preset velocity and acceleration limitations of six joints are all constrained well. Comparisons with existing algorithms demonstrate advantages of the proposed method.     

单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配

针对平衡单搭胶/螺栓混合连接结构及其对应胶连接、螺栓连接结构,通过逐步构建其各自对应的精确三维有限元分析模型的方法对比分析了三种连接结构的应力分布。首先构建了胶连接分析模型,其胶层应力计算结果与采用已有文献理论分析模型计算结果比较吻合,验证了计算模型的准确性;在上述模型基础上继而构建了胶/螺栓混合连接分析模型,对比分析了采用两种胶材料的混合连接相对于对应单种胶连接层应力分布的变化,并计算了混合连接胶层与螺栓的承载比例,发现采用酚醛树脂胶的混合连接与对应胶连接胶层应力分布几近一致,螺栓分载很少,而采用丙烯酸酯胶的混合连接胶层剪切应力得到极大程度降低且螺栓得到了较大分载;最后构建了混合连接对应的螺栓连接分析模型,比较了两者应力水平和应力集中程度,发现前者明显低于后者,混合连接胶层的加入有缓解连接孔边应力集中的作用。提出混合连接可采用低模量胶材料以使胶层与螺栓共同分载,从而达到比传统连接方式更好的连接性能。     

基于混合遗传算法的机器人改进摩擦模型辨识

为了解决机器人运动过程中库伦+黏性摩擦模型不能真实反映关节摩擦的非线性特性的问题,采用改进Stribeck摩擦模型对机器人关节摩擦进行建模,提出基于混合遗传算法与余弦轨迹的模型参数辨识方法. 采用不同的余弦轨迹对机器人关节进行激励,利用已知的机器人动力学方程确定关节摩擦力矩,从而建立机器人关节速度与关节摩擦力矩之间的映射关系,并利用模拟退火混合遗传算法对摩擦参数进行辨识. 为了验证所提方法的有效性,以多关节串联型机器人为研究对象,进行摩擦参数辨识实验. 实验结果表明,与传统的库伦+黏性摩擦模型相比,改进的Stribeck摩擦模型可以减少17.7%~33.6%的关节力矩计算误差,并能够进一步提高机器人动力学模型的准确性.     

多传感器的关节故障检测及容错策略

为提高空间机器人关节驱动系统的可靠性,研制具有多种传感器的模块化关节,提出基于多传感器的关节故障检测算法及关节的容错策略,并根据关节运动速度大小建立阈值自动调整策略.试验结果表明,采用该算法,克服了基于模型关节故障检测策略对模型的依赖,并保证关节在低速和高速范围内,均可快速地检测关节出现的故障,保证关节安全稳定运行.     

遗传算法在矿井通风网络优化中的应用

建立了矿井通风系统网络优化的非线性规划数学模型,并用遗传算法来求解该优化模型.使用罚函数法对优化模型所包含的约束方程进行转化和处理,使之适用于遗传算法.罚函数的形式采用不可微精确罚函数,并在惩罚参数的选择上参考了模拟退火算法的一些优点,设计出一种动态罚函数.应用遗传算法对一个简单通风网络的优化模型进行求解.结果表明：优化后通风系统总能耗降低了7.78 kW,其下降幅度约为3%.