基于改进梯度投影算法的十自由度移动机械臂轨迹规划研究

以一款十自由度移动机械臂为研究对象，针对其轨迹规划存在的关节加速度超限等问题，提出一种改进的梯度投影算法，通过极值法求比例因子，在传统的梯度投影算法中，引入可优化度和自运动限制因子，并推导和提出了考虑关节加速度约束的新算法。对照逆解算法和改进梯度投影算法的仿真效果，验证了新算法的有效性，最后将该算法应用在十自由度的移动机械臂上进行了实例运动测试，测试结果满足设计要求，该成果将实际应用在工程项目中。     

具有双插补避障功能的七关节机械臂控制系统研究

具有更多自由度的七关节机械臂在保证末端运动位姿的前提下,可实现更好的避障轨迹设计,但是给控制系统研发带来很大难题。针对此问题,首先从传统的冗余机械臂运动控制算法出发,建立基于梯度投影法的逆运动学方程;然后,针对其不足,结合六关节机械臂的解析解方法,提出了一种新的既可以避免机械臂腕部碰撞,又可以对机械臂上指定点运动位姿进行监测的双插补算法,实现了具有主动避障与碰撞监测的实时运动控制算法。最后,搭建了七关节机械臂和与之配套的软硬件控制平台,开发了实时的三维仿真软件,并通过实验验证了所提算法的正确性与有效性。     

基于MapleSim的六自由度柔性机械臂动力学仿真

柔性机械臂是一个复杂的机电一体化系统,涉及到多个物理领域。传统柔性结构建模一直存在建模复杂、模型不易扩展、运行速度慢等缺点,而且难以实现多领域建模,忽略了不同物理领域相互作用给整体系统所造成的影响。为了提高建模效率和仿真准确度,采用MapleSim多领域建模仿真平台,建立了六自由度柔性机械臂模型,包括柔性臂杆、关节、伺服驱动系统、传感器等。基于模型,从多领域的角度研究了柔性机械臂的动力学特性。该方法建模工作量小,所建模型易修改。仿真结果表明了该方法的有效性。     

单臂式空间机械臂捕捉空间目标问题研究

以空间机械臂系统的动量守恒关系式为基础,对空间机械臂抓取空间目标过程中的碰撞问题进行了分析,提出了“直臂抓取”与“广义直臂抓取”概念,详细推导了满足基座质心、系统质心及工作端点共线的机械臂构型,得到了碰撞力方向矢量与基座、系统质心重合的角度关系式．满足关系式的空间机械臂构型可有效的减少碰撞力对于系统角动量的影响,进而避免混合体控制问题的关节限制与力矩限制．通过仿真验证了方法的有效性．     

新型六自由度机械臂的运动学分析与仿真验证

针对新型机器人六自由度机械臂的构型特点,采用传统的D-H法建立机械臂的连杆坐标系和运动学方程.在此基础上对传统的逆运动学求解的解析法进行改进,对得到的多组解采用能耗最小原则进行优化得出最适合的一组解.用MTALAB/SIMULINK搭建仿真模型,验证所得结果的正确性并分析所得结果的误差,仿真结果表明针对于此种构型机械臂的逆运动学求解,该方法无误差、耗能小,为类似构型的机械臂逆运动学求解提供了思路.     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.     

空间机械臂运动过程中的碰撞检测方法

针对一种六关节机械臂,导出了各关节和末端的坐标,对可能与舱体碰撞的机械臂的几个连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了该点与舱体碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂关节与舱体的碰撞,而且能够检查机械臂连杆上任何位置与舱体的碰撞;对可能发生相互碰撞的机械臂的每对连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了每对连杆相互碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂两连杆两端关节的相互碰撞,而且能够检查机械臂两连杆上任何位置之间的相互碰撞;仿真结果证实了两种碰撞检查方法可行性和有效性。     

基于速度修正项的机械臂避障路径规划

针对机械臂运行过程中存在的碰撞问题, 提出一种基于速度修正项的机械臂避障路径规划方法. 利用B 样条曲线进行机械臂关节空间规划, 使机械臂能够在特定时刻运行到指定构型. 在运行过程中, 利用碰撞检测算法实时计算机械臂与障碍物的最小距离, 在碰撞即将发生时引入积分为零的避障速度修正项改变机械臂运行轨迹, 使得机械臂能够在实现障碍回避的同时, 保证其在特定时刻通过指定构型的要求. 仿真实验表明了所提出方法的正确性和有效性.     

六自由度机械臂建模与工作空间分析

在危险环境条件下,为确保人员安全,考虑使用机械臂代替人类的工作,针对以上需求设计一种六自由度机械臂。根据D-H多体运动学建模方法,分析建立机械臂各关节坐标系并确定连杆参数,建立机械臂的运动学模型;通过齐次变换推导末端执行器的姿态和位置,通过仿真和数学计算结果比较证明建模的准确性。根据关节空间到工作空间的映射关系,采用蒙特卡洛法分析、求解机械臂的工作空间,在MATLAB中描绘出工作空间的三维云图。为后续的机器人轨迹规划、运动控制和参数优化提供参考。     

线驱动柔性机械臂的运动学分析

与传统的由连杆和关节构成的刚性机械臂不同,设计的柔性机械臂无任何刚性结构,外围驱动装置通过嵌在机械臂内部的拉线与柔性机械臂相联系,控制拉线长度的变化量即可调整柔性机械臂末端执行器的位置和姿态。柔性机械臂由弹性材料制作而成,拥有无穷多个自由度,在确保了高安全性、高灵活性的同时,随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设,提出了一种运动学建模方法,通过建立3个空间,即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间,以及两个映射,即驱动空间-虚拟关节空间映射、虚拟关节空间-任务空间映射,将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明,提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型,能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态,计算末端执行器的位置和姿态。     

危险环境消防侦察机器人视轴规划算法研究

针对自主研发的危险环境消防侦察机器人展开研究。此机器人为履带式车身,装载一3自由度机械,高清侦察相机固定在机械臂末端。研究内容为在已知环境下自主规划机械臂规避障碍物,并调节相机视轴方向,实现对环境重点区域的锁定。首先对机械臂建立指数积（POE）正运动学模型,使用Minkowski和与三维凸包检测算法作为碰撞检测算法,使用蒙特卡洛方法在构型空间采样。再通过采样数据匹配末端视角方向,在末端建立虚拟连杆,使用碰撞检测算法保证实现视线无遮挡。仿真实验证明,使用此算法能够快速将相机视轴锁定至重点区域并保证无遮挡,且机械臂末端相机处于最佳位姿。     

大范围运动柔性机械臂斜碰撞动力学分析

对作大范围运动柔性机械臂系统,进行斜碰撞动力学分析.基于柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,计入耦合变形项,全面考虑大范围刚体运动与弹性小变形运动的耦合,建立系统连续动力学方程.引入斜碰撞力学模型,将法向和切向碰撞力以广义力的形式加入动力学方程中,对系统进行斜碰撞动力学建模分析.法向碰撞模型选取基于连续接触力法的非线性弹簧阻尼模型,切向碰撞模型选取一种修正Coulomb摩擦模型,对切向摩擦力进行统一描述.给出接触、分离判据,实现不同状态的动力学模型转换与求解.对斜碰撞全局动力学进行了仿真验证,分析了柔性机械臂全局过程的动力学特性变化以及碰撞对大范围运动和小变形运动的作用,并对比了不同碰撞方向对大范围运动、变形、机械能、碰撞力等动力学参数的影响.     

基于奇异摄动的柔性关节机械臂智能控制设计研究

为了优化柔性关节机械臂的控制性能,提出一种新型奇异摄动控制方法。该方法引入奇异摄动,把柔性关节机械臂的动力模型转换为快变与慢变双模型。在慢变模型中,利用输出反馈与扰动因子范数,设计扰动增益,根据增益变化调节控制律,改善系统抗噪能力。在快变模型中,引入状态变量与饱和函数,改进控制率,从而改善控制算法的收敛性。仿真实验结果表明,本文提出的新型奇异摄动方法启动速度更快,显著提高柔性关节机械臂的控制精度与调节速度,具有更好的鲁棒性。     

柔性空间机械臂捕获卫星过程的鲁棒镇定与自适应抑振复合控制

分析漂浮基柔性空间机械臂捕获运动卫星过程的碰撞动力学,及受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统的控制.首先,利用假设模态法近似描述柔性杆的弹性变形,并结合第二类拉格朗日方程建立柔性空间机械臂多体系统动力学模型.而后,基于动量守恒原理,利用动量冲量法分析空间机械臂捕获卫星的碰撞动力学.针对受碰撞冲击后不稳定运动空间机械臂,设计鲁棒镇定与自适应抑振复合控制以维持空间机械臂与被捕获卫星组合体系统稳定.最后,数值仿真揭示了碰撞冲击影响效应,并验证了上述控制算法的有效性.     

基于力/位混合算法的7自由度机械臂精细操控方法

为了使冗余机械臂在具有良好的自治性和灵活性的同时保证末端的执行精度,提出一种基于力/位混合控制的冗余机械臂精细控制方法.通过建立准确的运动学模型,分析机械臂系统的运动特性,利用固定角度与梯度下降相结合的方法求动力学逆解.在对机械臂的力/位混合控制律建模的基础上,利用位置控制和力控制对机械臂末端的运动轨迹进行规划.针对受环境约束的机械臂的控制问题,提出冗余自由度机械臂的适从坐标系建立方法,使得末端执行器能够在任意曲面完成作业任务.在仿真分析和实验中,令机械臂末端跟随任意设定的曲线轨迹到达给定点.通过多次测量得出,力精度误差小于2%,并且在保证作用力方向精确的条件下,机械臂末端轨迹的偏离值小于5%.结果表明,所设计的力/位混合控制方法对7自由度机械臂控制精度效果良好.     

物理受限冗余机械臂逆运动学凸优化求解

针对冗余机械臂逆运动学求解结果极有可能超过机械臂物理限制的问题,提出一种基于凸优化的逆运动学求解方法使得逆解结果满足物理约束.首先分析了关节速度与力矩关系,采用机械臂动能及重复运动为优化指标,以关节速度、关节力矩为优化变量.然后将逆运动学求解问题转化为凸优化问题,进一步转化为二次规划问题,充分利用冗余特性,实现逆运动学求解时避免关节位置、关节速度、关节力矩极限.最后利用7自由度冗余机械臂KUKA LBR iiwa进行仿真,求解关节量结果符合物理极限及优化准则.结果表明本文提出的方法适用于物理受限冗余机械臂的逆运动学求解.     

基于柔性关节机械臂振动的空间非合作目标质量辨识

针对空间在轨服务任务中捕获的非合作目标的质量辨识问题,提出了一种基于柔性关节机械臂振动频率的质量辨识方法.在该方法中,首先利用操作航天器上的柔性关节机械臂捕获空间非合作目标;然后对操作航天器、柔性关节机械臂与空间非合作目标形成的组合体进行动力学建模;最后通过分析柔性关节机械臂的振动频率来辨识空间非合作目标的质量.数值仿真结果证实了该方法的有效性.     

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。     

基于一阶不确定项估计律的机械臂鲁棒控制研究

针对多自由度机械臂控制系统的模型参数误差、关节摩擦力以及外部输入扰动等不确定项,设计了一类一阶误差估计律;结合基于机构动力学名义模型的输入输出反馈线性化控制算法,对六自由度刚性机械臂的时变轨迹跟踪控制进行了研究,理论上证明了设计的鲁棒控制器是全局渐进稳定的.仿真结果表明该控制策略对系统的各类不确定项具有很好的鲁棒性,能够实现高精度的轨迹跟踪控制.     

基于细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器设计

进行机械臂角度控制器设计过程中,为提高机器人机械臂灵活性,降低关节角度控制误差,设计一种细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器。首先,构建机械臂动力学模型以获取机械臂的柔性特征及其关节位置,根据获取的信息确定角度控制器的硬件逻辑结构和算法。然后,使用ARM微处理器嵌入式操作系统,设计包含移动控制终端和机械臂控制端的控制器硬件结构。最后,采用细菌觅食算法优化控制器参数,并实现代码完成机器人机械臂角度的精准跟踪控制。仿真分析结果表明:所提方法具有较高的位姿跟踪精度、角度控制误差小、稳定性强,能够保证机械臂关节角度无超调,具有极高的机器工程应用价值。