基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

复杂环境下软体机械臂的运动学解耦与避障方法

软体机械臂具有无限自由度和高度灵活性的特点,在复杂非结构化环境中应用潜力巨大。在研究柔性机械臂的过程中,由于软体机械臂各段之间在运动学上存在强耦合性,非结构化环境中软体机械臂运动学关系的构建较为复杂,在求解软体机械臂逆运动学时存在奇异解甚至无解的情况,柔性机械臂的避障控制十分困难。因此,受藤蔓生长过程的启发,提出一种分段建模和顺序控制方法,旨在解决软体机械臂在运动过程中的耦合问题,简化软体机械臂在逆运动学中的求解难度,从而实现机械臂在非结构化环境中实现避障。首先利用分段常曲率法建立软体机械臂运动学模型,利用约束条件快速求解软体机械臂中逆运动学各个参数信息,然后基于快速探索随机树（RRT）建立了机械臂的改进型RRT路径规划算法,最后构建了非结构化复杂环境,并在Matlab中测试了机械臂的避障能力。仿真结果验证了所建立运动学模型的正确性,也表明利用顺序控制策略对实现软体机械臂在非结构化环境中避障具有可行性。     

基于运动学参数标定方法的机械臂 误差分析与仿真研究

针对工作任务复杂或环境多变,且对机械臂精度要求较高的工业生产需求等问题,基于运动学参数标定方法进行了机械臂的误差分析与Matlab仿真。介绍了定位精度以及定位误差的来源,针对机械臂运动学标定的方法步骤,采用矩阵法对运动学参数标定误差模型进行了建模分析,推导出了运动学参数误差模型的通用形式,并添加一个微小的增量进行了误差补偿;采用Matlab对机械臂运动学参数误差模型进行了仿真分析,验证了所建立的误差模型的正确性。研究结果表明:基于运动学参数标定方法的机械臂误差分析能很好地提高机械臂的精度,使机械臂能够准确完成预期的位姿要求,对于进一步提高机械臂的精度有较好的指导作用。     

基于Cosserat力学理论的仿生机械臂建模

针对软体动物运动不确定性导致建模难度大的问题,基于Cosserat力学理论构建章鱼仿生机械臂运动学方程和动力学方程,分别采用数值法和Newton-Euler迭代法对方程进行求解,得到仿生机械臂的运动轨迹;搭建章鱼仿生机械臂实验平台进行验证。结果表明：章鱼仿生臂末端的运动误差与理论误差坐标相差7.2 mm,位移误差和速度误差逐步趋近于0。验证了模型及求解方法的可行性,为解决软体机械臂建模的不确定性提供新的参考。     

一种冗余自由度机械臂逆运动学解析算法

针对7自由度机械臂逆运动学求解问题,在考虑了空间构型的复杂性和冗余自由度机械臂自运动流形的基础上,提出了一种逆运动学的位置解析算法,即参照"自由度模块化"的概念,进而将仿人机械臂的7自由度划分为两个4自由度的模块化单元。通过控制自由度模块化单元,将复杂的空间构型转化为平面构型,减少了计算的复杂性;同时基于"锚点"和"虚拟连杆"的概念,实现冗余自由度机械臂的位姿参数化,从而实现了机械臂逆运动学快速求解。     

基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿

运动学标定是提高关节臂式坐标测量机精度的主要方法，但运动学标定后的残余误差对其测量精度和稳定性仍有很大影响。本文提出一种基于复合标定和极限学习机的关节臂式坐标测量机残差建模及补偿方法，以提高关节臂式坐标测量机的测量精度。首先，在关节臂式坐标测量机运动学建模和误差建模的基础上，建立了运动学参数辨识模型，并依次进行角度参数辨识、长度参数辨识和长度参数等比例缩放的复合辨识，完成了七自由度关节臂式坐标测量机的运动学标定。其次，通过对标定后残余误差图谱的分析，发现残余误差与测量构型有关联，进而构建了以测量摆角、仰角、距离和转角为变量的测量构型。由于测量构型变量与残余误差存在强非线性关系，提出一种基于极限学习机的残余误差预测和补偿方法。通过实验对本文所提模型及方法的有效性进行验证，结果表明：进行残差修正后关节臂式坐标测量机的单点测量误差最大值由0.061 mm下降到0.044 mm，误差均值由0.023 mm下降到0.017 mm，误差标准差由0.011mm下降到0.007 mm；长度测量误差最大值由0.137 mm下降到0.074 mm，误差均值由0.033 mm下降到0.021 mm、误差标准...     

气动软体机械臂模块变刚度性能分析

根据现有的气动软体机械臂的特征,为解决软体机械臂存在的结构刚度不足的问题,提出了一种软体机械臂模块。该模块采用耦合变刚度原理,由上下两端连接板、位于两连接板之间的外部弯曲硅胶气囊和中部变刚度硅胶气囊组成,可实现连续软体机械臂的模块化和变刚度,提升软体机械臂的负载能力。基于硅胶的超弹性材料特征,建立了新型软体机械臂模块的非线性力学模型并通过该模型完成了变刚度性能分析。在充分考虑各硅胶气囊的驱动力矩和模块的弯曲运动的基础上,设计了静态拉伸试验,对模块的变刚度气囊通过施加冗余驱动力矩来实现变刚度的效果进行了分析。通过试验与论证,总结出了模块充气压强与模块结构的刚度之间的变化规律,为气动软体机械臂刚度的计算和这种模块的实际应用提供了理论支持。     

线驱动绿篱修剪机械臂运动学分析及仿真

针对当前绿篱机械臂无法在复杂环境和非结构环境下作业的问题,提出一种具有更强环境适应性、更高自由度和更大工作空间的冗余线驱动绿篱修剪机械臂。利用坐标分析法建立了单关节的运动学模型,求解了绳长与关节转角的映射关系;基于D-H参数法分析了10-DOF机械臂的正向运动学数学模型,采用遗传算法研究冗余机械臂的逆向运动学,求解了冗余机械臂的运动学逆解。仿真结果证明,遗传算法的求解精度高且求解迅速;对机械臂各关节绳索间的耦合进行了分析并推导了解耦公式。通过仿真验证了机械臂正逆运动学模型的正确性以及解耦模型的正确性,为绳驱动冗余机械臂的控制和轨迹规划奠定了基础。     

可控5R平面并联机构构型重构设计与实验研究

以可控平面5R并联机构为研究对象,结合其工程应用背景,建立了运动学模型,提出了构型变换与运动特性分析一体化全信息参数建模方法。基于自下而上的构型设计方法,建立杆副、运动支链、主构型模型及配置模型。通过变驱动布局、变参数配置方式变换出新构型,达到构型快速重构设计、简化运动学求解的目的。对驱动布局构型变换前后的输出运动轨迹跟踪对比分析,表明扩大了工作空间。设计实验装置,验证了轨迹跟踪法求解工作空间的有效性。     

绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题，研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想，将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分，分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节，在运动副上配置编码器用于检测关节位置，有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型，分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律，简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式，分析了不同关节角下的刚度特性。最后，针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明，设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。     

新型万能直角坐标串并联机构

基于传统的单纯串联机构工作空间大、运动学正解简单的优点,考虑到单纯并联机构结构刚度大、承载能力强、运动学反解简单等特点,参考国际国内有关串并混联机构的研究成果,结合现实加工领域的需要,提出一种全新结构的直角坐标串并联机构。通过线性驱动,它可以实现机构上下层动平台之间的输出主轴空间6自由度运动。通过解析几何作图法,得知机构的工作空间形态为四棱柱或三棱柱,并给出了机构出现奇异时的奇异结构与工作空间形态。机构输出主轴处于空间任一位姿时,运用解析作图法取得输出主轴在三维空间的极限摆角范围,采用该方法还找到了机构运动学一般位置反解的几组可能解。进一步分析可知输出主轴平行于垂直导轨方向时有三组可行解,不平行时有五组可行解。     

New control concept of anthropomorphic manipulators

In this paper is presented a new control concept of anthropomorphic manipulators for industrial application. A new algorithm is given for finding the dynamic equations of open kinematic chains using a digital computer. The synthesis of the programmed dynamics has been performed via prescribed motion kinematics. The synthesis of the compensating movement level was proposed too, by measuring contact forces between the object and the terminal device. The presented example of a 6 degrees-of-freedom anthropomorphic manipulator illustrates the proposed approach to manipulator control.     

软体机械手遥操作系统的设计与分析

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求,搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则,设计制作了软体弯曲致动器,根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正,为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构,提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略,在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模,在Unity3D中搭建了虚拟作业场景,通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验,验证分析力学模型的准确性;开展遥操作手势映射实验,分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。     

Fuzzy Torque Control of the Bionic Flexible Manipulator Actuated by Pneumatic Muscle Actuators

A bionic flexible manipulator driven by pneumatic muscle actuator(PMA) can better reflect the flexibility of the mechanism.Current research on PMA mainly focuses on the modeling and control strategy of the pneumatic manipulator system.Compared with traditional electro-hydraulic actuators,the structure of PMA is simple but possesses strong nonlinearity and flexibility,which leads to the difficulty in improving the control accuracy.In this paper,the configuration design of a bionic flexible manipulator is performed by human physiological map,the kinematic model of the mechanism is established,and the dynamics is analyzed by Lagrange method.A fuzzy torque control algorithm is designed based on the computed torque method,where the fuzzy control theory is applied.The hardware experimental system is established.Through the co-simulation contrast test on MATLAB and ADAMS,it is found that the fuzzy torque control algorithm has better tracking performance and higher tracking accuracy than the computed torque method,and is applied to the entity control test.The experimental results show that the fuzzy torque algorithm can better control the trajectory tracking movement of the bionic flexible manipulator.This research proposes a fuzzy torque control algorithm which can compensate the error more effectively,and possesses the preferred trajectory tracking performance.     

基于构型分岔的并联机构优化设计

对于给定的一组运动输入参数,并联机构有可能出现构型分岔。为了使机构在连杆长度范围内能够随意运动,基于构型分岔进行了并联机构优化设计。在连杆空间分析并联机构运动状态的基础上,应用杆长向量表示了六自由度并联机构的16种极限构型。为避免机构出现构型分岔,利用同伦法和静态分岔条件,分析了极限构型的分岔特性,得到连杆的长度范围。对所设计的机构进行了运动可控制条件分析,以保证机构在整个杆长范围内可以控制。     

Decentralized control design for welding mobile manipulator

This paper presents a decentralized motion control method of welding mobile manipulators which use for welding in many industrial fields Major requirements of welding robots are accuracy, robust, and reliability so that they can substitute for the welders in hazardous and worse environment To do this, the manipulator has to take the torch tracking along a welding trajectory with a constant velocity and a constant heading angle, and the mobile-platform has to move to avoid the singularities of the manipulator In this paper, we develop a kinematic model of the mobile-platform and the manipulator as two separate subsystems With the idea that the manipulator can avoid the singularities by keeping its initial configuration in the welding process, the redundancy problem of system is solved by introducing the platform mobility to realize this idea Two controllers for the mobile-platform and the manipulator were designed, respectively, and the relationships between two controllers are the velocities of two subsystems Control laws are obtained based on the Lyapunov function to ensure the asymptotical stability of the system The simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed controllers     

6自由度3-PRPS并联机器人运动规划分析及仿真

6自由度3-PRRS机构是基于Stewart平台设计出来的一种特殊构型的新型并联机构。为了准确分析该机构运动学特性并从运动规划角度研究机构关键参数与机构运动的关系,建立了有效的运动学模型对机构进行分析,给出了位置反解,同时面向工程应用提出了运动规划,然后利用ADAMS软件进行仿真分析。其中建立了不同平台尺寸比率k的模型,对动平台施加运动来观察、研究比率k的变化对连杆运动产生的影响,给出了3-PRRS机构关键参数比率k与机构运动的关系。分析结果为该类型机构位置反解研究提供了可行路径,避免了大量的数学计算和编程工作,提高了工作效率;并有助于在3-PRRS机构设计中,针对不同应用场景合理选择不同的参数模型。     

Kinetostatic modelling of a 3-PRR planar compliant parallel manipulator with flexure pivots

Flexure pivots are widely used in long stroke complaint parallel manipulators (CPMs) for their large deformation capacity. However the parasitic motion caused by the flexure pivots cannot be neglected as the rotation angle gets large, which will finally affect the absolute positioning accuracy of the manipulators. In this paper, a modelling approach to calculate the nonlinear kinetostatics of a long stroke planar CPM with flexure pivots is proposed, in which the parasitic motion of the flexure joints are taken into account. The displacement constraint equations and the static equilibrium equations of the CPM are established under the deformed configuration. Finite element analysis (FEA) shows the accuracy and efficiency of the nonlinear kinematic model (NLKM) for both the inverse and forward kinematic analysis. Moreover, the prediction accuracy of the CPM’s kinematic behavior has been improved more than 20 times by employing the NLKM compared with the conventional kinematic model (CKM).     

考虑跃度影响的四自由度并联机构轨迹规划

以一种四自由度3PUS-P-RU并联机构为研究对象,首先利用运动链矢量方程法建立机构的跃度逆解模型,然后揭示了动平台运动过程中没有刚性冲击和柔性冲击的七次多项式运动规律,最后通过运动学逆解计算得到各个关节的运动轨迹。计算结果表明,该运动轨迹下各个关节的速度、加速度和跃度曲线平滑连续且没有突变,运动特性优越,轨迹规划方法有效。     

并联机器人奇异位形研究

介绍一种并联机器人奇异位形分析计算的新方法。该方法以动平台瞬时运动为基础,建立奇异位形条件,从而获得简化的奇异位形判别方程式,以６自由度三角平台并联机器人和三支链并联机器人为例对这一问题进行研究。