非完整移动机械臂的避障运动规划

针对有空间障碍物避免的移动式操作机器人系统运动规划问题，提出了一种基于特殊的人工势函数，使用局部距离信息实现非完整移动机械臂系统实时避障运动规划方法，并且用Lyapunov定理证明了闲环系统的稳定性。用提出的方法对非完整移动机械臂系统进行仿真．仿真结果表明了它的正确有效性。     

六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究

针对六自由度链式机械臂在进行正运动学、逆运动学以及轨迹规划仿真时,不易直观地验证运动学算法的正确性和轨迹规划的效果,在正确建立机械臂数学模型的基础上,重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法,并采用三维运动仿真进行了验证.开发了一套六自由度机械臂三维仿真软件,该仿真软件在VC++6.0开发平台上,首先利用分割类将基于MFC框架的窗口分割成为控制窗口和视图窗口两部分,然后利用OpenGL的图形库对机械臂进行建模,首次将正运动学、逆运动学以及轨迹规划算法融入其中开发而成.该仿真软件有效地验证了机械臂运动学模型建立的正确性,同时也对三次多项式和五次多项式两种轨迹规划方法做了直观的比较,结果表明后一种轨迹规划效果明显优于前一种.     

双连杆机械臂的动力学建模

本文以双连杆机械臂为对象,针对这一类非线性的机械模型对象,利用拉格朗日法对被控对象进行运动学建模,以便于根据模型设计各种不同的控制器,不仅使双连杆机械臂系统具有良好的稳态和暂态性能,同时也保证了系统具有较好的鲁棒性。笔者通过仿真实例验证了所给结果的有效性,为机械臂的控制提供了一种新的思路。     

基于空间代价地图的机械臂无碰撞运动规划

针对家庭服务机器人机械臂高安全性和低算法复杂度的两大需求,提出一种基于空间代价地图的机械臂运动规划新方法。利用空间代价地图来描述机械臂与约束条件发生冲突的可能性,以概率分析代替简单的布尔判断,提供了更合理的最优规划依据,从而实现更安全可靠的规划。同时将一个六自由度的规划问题降维为一个三自由度规划和一个四自由度规划的问题,在此基础上利用无需实时计算的先验碰撞数据代替实时的碰撞检测。利用该方法在ROS的rviz仿真平台上进行验证,结果表明该方法有效地提高了机械臂规划的安全性并降低了计算复杂度,有一定的实用价值。     

机械臂最优运动规划问题的混合求解

提出一种基于GA和SQP求解机械臂最优运动规划问题的混合算法．首先采用B样条函数逼近关节运动轨迹，将最优控制问题转化为有约束的非线性规划问题，然后引入基于种群的GA算法，给出全局最优解的初始估计；最后利用序列二次规划(SQP)得到高精度全局最优解．仿真结果表明该方法优于单纯的GA或SQP方法。     

基于自适应动态规划的移动装弹机械臂轨迹控制

针对移动装弹机械臂系统非线性、强耦合、受多种不确定因素影响的问题,本文基于自适应动态规划方法,提出了仅包含评价网络结构的轨迹跟踪控制方法,有效减小了系统跟踪误差.首先,考虑到系统非线性特性、变量间强耦合作用及重力因素的影响,通过拉格朗日方程建立了移动装弹机械臂的动力学模型.其次,针对系统存在不确定性上界未知的问题,建立...     

柔性机械臂动力学建模研究进展

刚性机械臂由于其较高的工作精度和重复性、较强的承载能力,已广泛应用于危险或相对单一、重复性高工作场景.但刚性机械臂的结构及运作方式不够灵活,无法适用于不定型、非标准、狭窄空间等生产场景.最近几年,柔性机械臂因其结构柔性、作业空间大、人机交互安全等优点而受到广泛关注,有希望应用于医疗、服务和智能制造等领域.但柔性机械臂结构柔软,运动比较自由,在作业过程中柔性效应不可忽略,这对其高精度控制提出了重大挑战.柔性机械臂控制的核心科学问题之一是建立包含结构柔性特征和动态特性的高精度动力学模型.为此,本文对柔性机械臂运动学建模和动力学建模研究进行了综述.作为动力学建模的基础,本文首先综述了柔性机械臂的运动学建模方法,主要介绍了曲率法、伪刚体运动学(PRB)方法、基于Cosserat杆的运动学建模方法、结构几何分析方法、Denavit Hartenberg(D H)法及坐标法、数据驱动和机器学习方法等.随后,本文详细综述了柔性机械臂的动力学建模方法,主要包括集中参数系统法、假设模态法、有限元法.最后,本文简述了目前柔性机械臂动力学研究的主要内容,并对未来研究做出展望.     

空间冗余机械臂路径规划方法研究

针对空间站遥操作7DOF冗余机械臂路径规划的安全性、可靠性问题,提出了基于臂型角逆运动学的优化A*路径规划算法.本文根据臂型角参数化完善了逆运动学方法,得到了32组完备逆解集,增加了路径规划时逆解选择的灵活性;通过臂型角搜索和最小奇异值优化A*路径规划算法,提高机械臂避障、避奇异能力,机械臂操作的灵活性和路径的安全可靠性;同时根据路径优化策略,有效平滑了路径,减少了机械臂的磨损.仿真结果说明了该方法的有效性.     

Dragging motion of a two-link mobile manipulator with large pull force through singular configuration: theoretical analysis and experimental verification

This paper reveals the advantageous feature of singular configuration for a two-link mobile manipulator by theoretical analysis, numerical simulations and experiments. When a mobile manipulator drags a heavy object on a flat floor, a large pull force is required to overcome the friction force between the object and the floor. In the motion obtained by numerical optimization, unlike humans, a two-link mobile manipulator pulls the object with a large force by passing through singular configuration. We analyze theoretically the force applied to the object by the manipulator under several assumptions, and show that a large pull force can be generated near singular configuration from the energy stored in the manipulator. The feasibility of the motion obtained by numerical optimization is also shown by experimental results.     

非完整移动机器人鲁棒运动规划

非完整移动机器人利用传感器可以解决不确定性模型和未知环境中的许多问题. 利用移动机器人上配备的传感器的信息组合提出了一种在线视点寻求算法, 结合移动机器人的运动方程和传感器的量测方程采用扩展Kalman估计来对移动机器人的位置进行修正, 以降低运动的不确定性, 从而得到一种鲁棒的规划算法, 仿真的结果证明了上述方法是行之有效的.     

基于改进势场法的机械臂动态避障规划

本文针对刚性机械臂提出了一种基于改进势场法的动态避障规划算法.势场产生只作用于机械臂末端的引力和作用于机械臂与障碍物最近点的排斥力,并依据动力学定律分别产生吸引速度和排斥速度.本文直接在笛卡尔空间中构造基于目标速度的吸引速度,使机械臂能够追踪动态目标;构造方向依据障碍物速度变化的排斥速度,使机械臂连杆也具备避开动态障碍的能力.最终两种速度在机械臂关节空间合成,为机械臂规划一条无碰路径并控制机械臂追踪动态目标.仿真结果证明了该方法的有效性.     

新的室内移动机器人的实时定位和运动规划方法

提出了一种将传感器信息与先验环境信息融合实现移动机器人定位和运动规划的方法.这种方法选用SICK LMS200型激光扫描测距仪为机器人感知装置,根据室内障碍物的顶点或拐角信息进行定位和运动规划.这种定位和规划方法模仿了盲人在熟悉环境下用拐杖走路的过程,适于室内移动机器人的实时定位和运动规划.     

基于有限时间对偶神经网络的冗余机械臂重复运动规划

在考虑关节物理极限的情况下,将冗余机械臂的逆运动学解析问题抽象为带约束的重复运动规划(RMP)方案.针对速度层的带约束RMP方案,本文提出了一种新型的递归神经网络,即有限时间对偶神经网络(FTDNN),用以求解该类带约束RMP方案.相比于传统的递归神经网络,该FTDNN模型具有有限时间收敛特性,不仅能够改进收敛的速度,并且能够获得较高的收敛精度.通过李雅普诺夫稳定性定理验证了FTDNN模型的渐近稳定性,并进一步计算出FTDNN模型求解带约束RMP方案最优解的时间上界.基于冗余机械臂PA10的计算仿真结果验证了FTDNN模型求解带约束RMP方案的有效性和可行性.最后在Dobot Magician实物机械臂上的实验结果表明本文提出的有限时间对偶神经网络方法可以有效实现机械臂各关节角的重复运动.     

基于伪逆的导轨机械臂关节速度纠偏运动规划方案

针对导轨机械臂在任务执行过程中出现的关节速度偏离期望值的问题，提出了一种基于伪逆算法的导轨机械臂关节速度纠偏运动规划方案。首先，根据机械臂的关节角状态和末端执行器的运动状态，运用伪逆算法对导轨机械臂在速度层上进行冗余度解析。然后，设计时变函数对关节速度进行约束调整，使偏离后的关节速度收敛于期望值。接着，针对末端执行器出现的位置误差设计了误差修正方法以保证轨迹跟踪任务的顺利执行。最后，将运动规划方案在Matlab软件上以基座直线移动和弧形移动的四连杆冗余度机械臂为例进行了仿真实验。仿真结果表明了该方案能纠正导轨机械臂在任务执行过程中偏离期望值的关节速度，且能使末端执行器的轨迹跟踪达到较高的精度。     

基于伪逆的导轨机械臂关节速度纠偏运动规划方案

针对导轨机械臂在任务执行过程中出现的关节速度偏离期望值的问题,提出了一种基于伪逆算法的导轨机械臂关节速度纠偏运动规划方案。首先,根据机械臂的关节角状态和末端执行器的运动状态,运用伪逆算法对导轨机械臂在速度层上进行冗余度解析。然后,设计时变函数对关节速度进行约束调整,使偏离后的关节速度收敛于期望值。接着,针对末端执行器出现的位置误差设计了误差修正方法以保证轨迹跟踪任务的顺利执行。最后,将运动规划方案在Matlab软件上以基座直线移动和弧形移动的四连杆冗余度机械臂为例进行了仿真实验。仿真结果表明了该方案能纠正导轨机械臂在任务执行过程中偏离期望值的关节速度,且能使末端执行器的轨迹跟踪达到较高的精度。     

Fault-tolerant motion planning and control of redundant manipulator

One important issue in the motion planning of a kinematic redundant manipulator is fault tolerance. In general, if the motion planner is fault tolerant, the manipulator can achieve the required path of the end-effector even when its joint fails. In this situation, the contribution of the faulty joint to the end-effector is required to be compensated by the healthy joints to maintain the prescribed end-effector trajectory. To achieve this, this paper proposes a fault-tolerant motion planning scheme by adding a simple fault-tolerant equality constraint for the faulty joint. Such a scheme is then unified into a quadratic program (QP), which incorporates joint-physical constraints such as joint limits and joint-velocity limits. In addition, a numerical computing solver based on linear variational inequalities (LVI) is presented for the real-time QP solving. Simulative studies and experimental results based on a six degrees-of-freedom (DOF) redundant robot manipulator with variable joint-velocity limits substantiate the effectiveness of the proposed fault-tolerant scheme and its solution.     

基于传感器的非完整移动机器人运动规划

针对非完整移动机器人在未知室内环境中提出了一种路径规划方法, 通过利用传感器对周围环境的探测和实时处理传感器数据, 以及所设计的目标寻找函数, 可以有效地完成其运动规划. 该方法能够确保移动机器人在无障碍物区或障碍物对机器人不构成危险时加速前进, 在障碍物区能够慢速绕过, 从而使得移动机器人快速且安全地到达目标位置, 仿真的结果证明了该方法的有效性.