一种零空间避障的机械臂末端轨迹跟踪算法

针对传统的零空间避障方法无法根据障碍物距离提前采取避障行为同时保证末端跟踪精度的问题,提出一种零空间避障的机械臂末端轨迹跟踪算法.该方法采用伪距离代替欧氏距离作为距离接近度指标解决零空间避障问题,同时设计一种自适应正定系数矩阵K和速度误差饱和函数sat(e),将实时轨迹运行结果反馈给冗余机械臂运动学反解,根据反馈结果自适应调节关节角速度以减小末端轨迹跟踪误差.采用iiwa14机械臂进行仿真实验,仿真的结果表明,所提出的算法能够在完成冗余机械臂零空间避障的同时保证末端轨迹跟踪误差在1 cm以下,验证了所提算法的有效性和优越性.     

基于主从任务转化的闭环控制避障算法

冗余度机械臂避障算法研究一直是机器人领域的研究热点之一。针对传统算法的不足提出一种基于主从任务转化的闭环控制避障算法。主从任务转化通过监测机械臂各杆件与障碍物之间的最小距离变化实现避障任务和期望轨迹跟踪任务的主从切换,从而解决当障碍物位于机械臂末端期望轨迹上时避障运动和期望轨迹跟踪运动存在的相互冲突问题。考虑到机械臂避障时其末端跟踪精度差的问题,引入对冗余度机器臂末端期望位置和实际位置的误差控制,使得机械臂末端跟踪精度显著提高。同时,该算法还适用于多障碍物避障和动态避障且具有计算量小和躲避速度变化连续等优点。通过三自由度平面冗余度机器臂的仿真试验,验证了该算法的正确性。仿真结果表明,该算法能够有效解决当障碍物位于机械臂末端期望轨迹上时存在的冲突问题,而且机械臂在避障的同时也能够高精度跟踪末端期望轨迹,且能够完成多障碍物避障和动态避障。     

冗余机器人的任务优先级轨迹规划方法

当机械臂末端沿期望轨迹运动时,若障碍物影响机械臂末端运动,则末端会与障碍物发生冲突,使其偏离期望运动轨迹。针对这一问题,提出了一种任务优先级轨迹规划方法,使机械臂末端避障后能够继续跟踪期望轨迹。当机械臂末端运动轨迹中含有障碍物时,赋予避障运动作为优先控制,通过计算末端位置增量使机械臂末端产生逃离速度,进而避开障碍物;反之,赋予轨迹跟踪作为优先控制,通过对机械臂期望轨迹与实际位置进行误差控制,达到提高末端轨迹跟踪精度的目的。最后,对冗余机器人进行了仿真及试验验证。结果表明,当障碍物与机械臂末端运动轨迹发生冲突时,基于任务优先级的轨迹规划方法可以使机械臂末端有效地避开障碍物,同时,末端避障后机械臂仍能跟踪到期望轨迹运动。     

一种任务转化的动态避障算法

传统的避障算法多适用于静态障碍物,且当障碍物位于机械臂末端期望轨迹上时,算法会失效,针对传统算法的不足提出了一种基于任务转化的动态避障算法。该算法通过监测机械臂各杆件与障碍物之间的最小距离变化实现末端期望轨迹跟踪运动和避障运动的任务转化,通过实时监测障碍物的位置变化完成动态避障。最后,通过三自由度平面冗余度机器臂的仿真实验,验证了该算法的有效性。仿真结果表明,该算法能够有效解决当障碍物位于机械臂末端期望轨迹上时存在的冲突问题,且能够完成动态避障。     

冗余机械臂的加权广义逆避障算法研究

针对冗余机械臂末端轨迹跟踪与避障运动冲突的情况,提出一种基于加权广义逆的避障方法。该方法对机械臂与障碍物之间危险程度评估的评价函数-危险场进行改进,将危险程度评估得到的危险场的值,反馈给修改后的冗余机械臂闭环逆运动学算法,以实现避障,同时对雅可比矩阵和梯度项加权处理来避关节极限。为保证避障效率,对闭环控制参数进行优化设计。根据危险场的值与预先设定的阈值之间的大小关系,机械臂在避障过程中具有任务中断和恢复能力。最后利用Robotics Toolbox for MATLAB工具箱进行数值仿真,验证提出方法的有效性。     

七自由度冗余机械臂避障控制

基于冗余机械臂零空间的自运动特性,提出了一种新的七自由度冗余机械臂避障控制方法.该方法引入臂平面和避障面来参数化表达冗余机械臂的零空间运动;基于这种描述,利用人工势场法实现碰撞检测;根据检测结果得出的虚拟排斥力推导零空间运动方程,改进具有位置内环的逆动力学控制方法,使机械臂避障时的动态性能具有类似质量-阻尼系统的物理特性.该方法可以在控制末端执行器运动的同时实现冗余机械臂避障.为了验证所提出方法的性能,利用在轨自维护实验平台完成了实验.实验结果表明,机械臂与障碍物的最近距离大于40 mm,末端执行器位置动态误差小于10 mm,稳态误差小于2 mm.这些结果显示,所提出的方法通过合理地自运动行为实现了冗余机械臂的避障控制,而且在避障过程中不影响末端执行器的操作.     

存在关节限位的冗余机械臂逆运动学研究

针对冗余机械臂求逆解时由于关节限位造成关节角度可能取到危险位置的问题,以七自由度冗余机械臂为研究对象,提出一种躲避关节限位的逆运动学求解智能算法。首先,在机械臂正运动学方程的基础上引入最佳柔顺性优化约束条件,构建优化目标函数;其次,引入人工势场法对灰狼优化算法狼群初始化位置进行改进,并且非线性化灰狼优化算法的收敛因子;最后,采用MATLAB软件进行求逆解仿真。仿真结果表明,改进灰狼优化算法可以有效减小机械臂求逆解时取得的关节角度与零角度的差值,相比传统灰狼优化算法,该差值之和平均减小了35.31%,而且改进灰狼优化算法具有较高求解精度和较强收敛性,可以满足实际工作中机械臂求逆解的使用要求。     

冗余度双臂机器人协作策略下实时避障算法

针对冗余度双臂机器人协调操作过程中机械臂本体避障及躲避环境障碍问题,提出了基于冗余机械臂自运动特性的双臂机器人协作策略下实时避障算法。首先,利用障碍物在机械臂连杆上的投影矢量筛选掉不会避碰杆件,再计算可能避碰杆件与障碍物的最短距离;其次,根据双臂协作的运动学约束关系,得到冗余度双臂机器人协调搬运避障的运动学逆解;再次,引入梯度“安全距离”和两个避障因子,实时改变机械臂的避障速度,使机器人末端完成协作任务以及双臂实时自避碰及躲避环境障碍物的任务;最后,利用冗余度双臂机器人进行仿真及实验。结果表明：双臂机器人末端执行器执行协作任务的同时机器人双臂可以躲避障碍物,且各关节运动连续、平稳。     

基于二分试探的平面冗余机械臂碰撞检测与避障

针对协作机械臂与未知环境安全交互问题,提出基于二分试探的平面冗余机械臂碰撞位置检测与虚拟碰撞空间估计方法,基本思想为碰撞臂杆绕选定二分点旋转微小角位移,期间根据关节电流信息判断是否发生进一步碰撞,从而确定碰撞位置所处二分区间,以此迭代试探缩小碰撞位置估计误差至可接受范围。建立冗余机械臂碰撞臂杆以选定二分点为不动点的逆运动学模型,解决机械臂二分试探运动控制问题;通过简化改进二阶前馈外力观测器,建立基于关节电流的快速碰撞检测算法;根据碰撞位置与碰撞臂杆位姿信息,建立基于包络法的虚拟碰撞空间模型,以近似表征障碍物空间信息。仿真与实验结果表明,所提出的基于二分试探的碰撞位置检测与虚拟碰撞空间估计方法,可为主从任务转化闭环控制避障算法提供有效的障碍物信息,实现平面冗余机械臂安全避障,提高协作机械臂与环境交互安全性。     

基于ROS的六自由度机械臂环境探测与避障

针对机械臂在障碍物环境下的轨迹规划问题,提出了一种基于ROS环境的机械臂避障方法。该方法使用Realsense D435深度相机与机械臂构成手眼系统,通过点云数据构造OctoMap空间概率地图,在ROS环境下使用Moveit对机械臂进行运动规划,实现了机械臂在障碍物环境下的实时避障,在真实机械臂上验证了避障效果。     

一种基于虚拟推力的冗余度机器人避障算法

针对冗余度机器人可能遇到的障碍影响机械臂末端运动的特殊避障问题,提出了一种基于虚拟推力的可实现主从任务转换的避障算法。通过引入两个随障碍与机械臂最小距离而变化的转换系数,实现末端轨迹跟踪和避障运动的任务转换,同时解决障碍影响机械臂末端和中间杆件运动的避障问题。通过对空间七自由度机器人的仿真实验对算法进行验证,结果显示机械臂成功避障,关节曲线平稳连续,算法效果明显。     

基于伪距离的混凝土泵车臂架避障运动控制研究

针对混凝土泵车臂架末端避障和臂架关节限制问题,提出一种基于伪距离的泵车臂架避障方法。运用超二次曲面函数表示空间障碍物,采用伪距离作为臂架与空间障碍物的接近程度指标。基于最小伪距离判别指标,对泵车臂架赋予一个避障速度,并对传统梯度投影算法进行改进,在避免关节运动超过关节极限位置的情况下实现泵车臂架的安全避障,同时保证避障过程的平稳性和臂架末端的轨迹精度。仿真及半物理实验验证了该算法在混凝土泵车臂架避障过程中的有效性,且能完成空间多障碍物避障。     

基于改进灰狼算法的油茶果采摘机械臂轨迹规划

为了实现油茶果的自动化采摘作业,以所设计的推摇式油茶果采摘机械臂为研究对象,首先对机械臂进行了正、逆运动学以及作业空间分析,接着在关节空间采用五次多项式插值法进行轨迹拟合规划,再在分析狼群协作捕猎的模式的基础上,设计了适合油茶果采摘机械臂自动化作业轨迹规划所需要的改进灰狼算法(IGWO)。在MATLAB环境下以工作时间为目标函数建立优化模型对所设计的改进灰狼算法轨迹优化仿真实验,并与传统灰狼算法和遗传算法进行对比分析,结果显示改进灰狼算法相比传统灰狼算法(GWO)和标准遗传算法(SGA)能够更好地适用于油茶果采摘机械臂的时间最优轨迹规划。     

基于RBF神经网络和二次规划的冗余机械臂避障问题研究

针对冗余机械臂的运动灵活性问题,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络模型和二次规划技术的避障方法。该方法通过建立避障模型来对障碍物和机械臂的关节转角极限等约束进行描述,通过采用调整神经网络输出权值的方法使机械臂逐渐达到最佳运动构型;结合Lyapunov稳定性分析原理,验证了该方法的有效性;利用预选关键杆件方法和离线训练出了机械臂在任意构型下的网络权值模糊查询表,极大地提高了网络的收敛速度,从而可以将该方法应用到机械臂的动态避障规划中;最后,利用一种新型7自由度机械臂对该方法进行了仿真验证,并结合基于雅克比矩阵伪逆的方法进行了对比研究。研究结果表明,该方法计算效率高,适合解决使机械臂在准确跟踪轨迹的同时避开关节转角极限和避障的问题。     

基于A~*算法的空间机械臂避障路径规划

针对空间机械臂在轨操作任务需求,提出一种基于A*算法的避障路径规划算法。根据机械臂和障碍物几何特征,对机械臂模型和障碍模型进行简化。通过研究机械臂本身所固有的几何特性,根据障碍物的位姿坐标,分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件,进而求解空间机械臂的无碰撞自由工作空间。在此基础上,利用A*算法在空间机械臂的自由工作空间进行无碰撞路径搜索,实现了空间机械臂的避障路径规划。通过仿真试验验证了基于A*算法的空间机械臂避障路径规划算法的有效性与可行性。     

基于速度场的人工势场法机械臂动态避障研究

为了提高机械臂在动态避障时的安全性和精确性,提出一种基于速度场的人工势场避碰算法。首先,建立吸引速度场,得到机械臂对运动目标追踪的轨迹;然后,结合危险场法构建排斥速度场,使机械臂可以在多障碍物的环境下实现动态避障和安全性评估;最后,针对人工势场法易陷局部最小值的问题,提出在和速度的法方向添加附加速度的方法逃逸局部最小值。利用Matlab Robotics Tool对算法进行了验证,结果表明,基于速度场的人工势场法可实现机械臂的动态目标的追踪、移动障碍物避碰和安全性评估。     

基于改进脊线法的超冗余机器臂逆运动学求解

针对传统机器人尺寸大、自由度少,无法在狭窄空间内作业的问题,设计了一种基于新型球形关节串联而成超冗余机械臂,每个球形关节具有两个正交旋转自由度。因超冗余机械臂自由度数远多于传统机器人,无法用D-H法对其进行逆运动学求解,本文考虑机械臂运动过程中障碍物的影响,对脊线法进行改进,提出基于改进脊线法的超冗余机械臂逆运动学求解算法,利用Matlab对空间脊线及超冗余机械臂逆运动学进行数值仿真。研究结果表明,该算法考虑了障碍物的影响,改进了超冗余机械臂逆运动学脊线法,保证了超冗余机械臂的灵活性。     

基于改进人工势场法的双机械臂避障路径规划

针对双6自由度机械臂提出了一种基于改进人工势场法的避障路径规划算法。分析了双机械臂的协作工作空间,确认了双臂自碰撞的可能。针对静态障碍物对主机械臂进行避障运动规划,完成主机械臂路径规划后,再将主机械臂作为从机械臂运动时的动态障碍物,为从机械臂规划避障运动路径。利用新的势能函数代替传统人工势场法的势能函数,对双机械臂进行避障路径规划;由于传统人工势场法在机械臂避障路径规划中容易陷入局部极小值的缺陷,因此,增加了虚拟吸引点,避免机械臂陷入局部极小值。仿真实验表明,该方法实现简单,满足双机械臂避障的要求,能够有效地为双机械臂规划出无碰撞路径。     

基于改进RRT算法的冗余机械臂路径规划研究

针对RRT算法在机械臂路径规划的过程中无方向性,在无障碍物处产生过多无用节点的问题,采用目标偏置、双向分段搜索的策略对RRT算法进行改进,提出了具有导向性的双向分段搜索的改进RRT算法并应用于七自由度冗余机械臂的路径规划上,通过Matlab进行了三维环境路径规划仿真实验,并通过ROS平台进行冗余机械臂在简单环境与狭窄环境的避障仿真实验。实验结果表明,改进的RRT算法能够有效地减少路径的节点数量与搜索时间,并提高路径规划的成功率。     

冗余机械臂空间轨迹规划综述

冗余机械臂可以利用多余的自由度避开障碍物,而又不影响末端执行器的操作。因此与一般非冗余机械臂相比,冗余机械臂处理避障问题具有明显优势。目前关于冗余机械臂空间轨迹规划的研究还未形成一套整体的框架归类,因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结。文中探讨了冗余机械臂空间轨迹规划的基本原理和实际应用,将其按照建模原理不同划分为五大类,详细归纳了这些方法的优势和不足,并对冗余机械臂空间轨迹规划未来发展趋势进行了构想和展望。