基于PLC技术的焊接机器人主从协调运动控制系统研究

焊接机器人运动控制系统的控制功能直接决定了焊接工作质量,利用PLC技术优化设计焊接机器人主从协调运动控制系统。在系统硬件设计方面,装设位置、速度、旋转电弧等传感器设备,利用传感数据检测焊接机器人实时位姿。在考虑焊接机器人组成结构、工作原理以及动力驱动方式的情况下,构建焊接机器人的数学模型。结合当前位姿和控制目标之间的位置关系,规划焊接机器人主从协调运动轨迹,在约束条件的作用下,利用PLC控制器生成控制指令,作用在改装的焊接机器人驱动器上,实现系统的焊接机器人主从协调运动控制功能。通过系统测试实验得出结论：与传统控制系统相比,优化设计系统的速度控制误差、姿态角控制误差分别降低了0.075mm/s和0.38°,在优化系统控制下,主从焊接机器人的运动轨迹与规划轨迹之间无明显差异。     

阀厅智能巡检机器人运动控制系统

为使阀厅智能巡检机器人具备更灵活的控制策略与更高的运动控制精度,设计一种其专用的运动控制系统。系统由运动控制器模块、信息存储模块、运动控制软件模块、速度计算软件模块、路径规划软件模块构成。其中运动控制器模块由电源单元、报警功能单元、A/D转化单元、串口通信单元以及单片机单元构成。信息存储模块由RAM单元和ROM单元构成,共设计2个ROM单元与3个RAM单元。运动控制软件模块通过运动控制软件控制机器人的运行方式。速度计算软件模块主要通过编码器的GetSpeed-100umPerSecond函数计算机器人当前左右轮速度。路径规划软件模块主要使用蝙蝠算法对阀厅智能巡检机器人的运动控制实施路径规划。对系统的多种功能进行测试。测试结果表明,系统避障能力较强,拥有良好的路径规划功能;定位误差较小,具有良好的定位功能;运动轨迹偏差较小,运动控制功能较好。证明系统能够应用于设计目的且能够实现出色的运动控制,对于变电站智能巡检在各地的推广有一定意义。     

服务机器人导航与调度系统技术研究

针对服务机器人导航和调度系统问题进行了研究。首先根据事先确定的任务进行自主全局路径规划,移动机器人在执行路径跟踪时,还要不断感知周围的局部环境信息;其次,移动机器人不仅要避开附近的移动障碍物,而且要进行局部规划或局部路径修正;然后,完成了地图创建、机器人全局定位、规划局部路径并控制车体运动;最后,介绍了服务机器人调度系统终端软件。实现了机器人与调度系统的结合,完成通过调度系统进行机器人运动控制的功能。     

基于D-H法的农业采摘机器人运动协作控制系统设计

为提升农业采摘机器人运动协作控制性能,降低机器人碰撞概率,利用D-H法优化设计机器人运动协作控制系统。改装位置、力矩以及碰撞传感器设备,优化运动协作控制器与驱动器,调整系统通信模块结构,完成硬件系统的优化。利用D-H法构建农业采摘机器人数学模型,在该模型下,利用传感器设备实现机器人实时位姿的量化描述,通过机器人采摘流程的模拟,分配机器人运动协作任务,从位置和姿态等多个方面,确定运动协作控制目标,经过受力分析求解机器人实际作用力,最终通过控制量的计算,实现农业采摘机器人的运动协作控制功能。通过系统测试实验得出结论：与传统控制系统相比,机器人位置、姿态角和作用力的控制误差分别降低了约40mm、0.2°和1.2N,在优化设计系统控制下,机器人的碰撞次数得到明显降低。     

基于栅格法的移动机器人运动规划研究

研究移动机器人运动规划问题.为实现机器人独立自主地完成任务行为,提出了一种利用栅格法对移动机器人运动进行规划,算法将运动规划分解为路径规划和运动控制两部分.在路径规划时,对栅格环境设定机器人的假想窗口栅格,并根据假想窗口和环境信息的可信度,设定实现环境信息优化的路径规划策略.根据机器人的运动学模型推导出机器人的运动控制律,以实现问题的求解.最后对运动规划方法进行了仿真验证,仿真结果证明了控制律的有效性.     

融合路径跟踪模式的多移动机器人有序化群集运动控制

针对多移动机器人群集运动的实现及其避障问题,提出了一类融合路径跟踪模式的有序化群集运动控制算法．该算法将有leader的群集运动模式与队列运动模式相结合,实现了多机器人系统快速聚合行为与有效避障行为的统一．移动机器人群仿真实验验证了该方法的有效性．     

基于大数据聚类的工业遥操作机器人位姿定位控制系统设计

针对工业遥操作机器人位姿定位过程中难以同步控制位置和姿态角,导致位姿定位准确性较差的问题,利用大数据聚类技术,从硬件和软件两个方面优化设计工业遥操作机器人位姿定位控制系统。通过位姿传感器的改装,保证传感器设备能够同时测量机器人位置与姿态,改装定位控制器和驱动器。在系统硬件的支持下,考虑机器人组成结构、运动原理和动力学理论,构建机器人数学模型,在该模型下模拟机器人遥操作过程,确定机器人位姿的定位控制目标。实时采集机器人位姿数据,利用大数据聚类技术计算定位控制量,在控制器的约束下,实现系统的位姿定位控制功能。通过系统测试实验得出结论：综合多种类型的运动情况,在优化设计系统的控制下,机器人的位置误差平均值为4.5mm,姿态角控制误差为0.04°。     

基于GALIL控制器的踝康复机器人控制系统

介绍了基于GALIL运动控制器的踝关节康复机器人的控制系统。该踝关节康复机器人引入生物融合理念,基于4-UP(Pe)S/PS并联机构,采用PC+运动控制器相对独立运行的并行控制模式,实现踝关节复合康复运动。用户利用PC机实现康复机器人康复运动轨迹的规划,康复运动控制程序的自动编制和运动控制器程序的下载,通过操作面板控制运动控制器相对PC独立地执行程序。这种并行控制模式能够在满足康复运动相对复杂的空间康复轨迹需要的前提下,保证踝关节康复机器人系统的反应速度。该系统成功地用于踝关节康复机器人系统,取得了很好的康复效果,为PC+运动控制器模式的康复系统设计提供了范例。     

分布式多机器人运动控制的离散事件系统方法

传统多机器人系统的运动控制主要依赖于机器人的动力学方程或运动学方程,通过求解微分方程组来获得机器人的输入控制信号.随着系统中机器人数量的增加和运行环境的复杂化,动力学方程很难描述多机器人系统的运动行为,且无法很好地解决诸如死锁等逻辑故障.本文简略综述了国内外的研究现状,重点介绍笔者所在研究组开展的关于离散事件系统方法在多机器人运动控制方面的应用性研究工作.其动机在于:1)基于离散事件系统方法的运动控制能够有效地解决系统运行过程中产生的诸如死锁等逻辑故障.首先,利用离散事件系统模型对多机器人系统的运动进行建模,从而降低计算复杂性;其次,基于所得离散事件系统模型,设计分布式安全运动控制算法,使各个机器人可以自主地、无碰撞地、无死锁地运动;设计分布式鲁棒运动控制算法,使得失效的机器人对系统的影响最小.2)基于离散事件系统方法的运动控制策略可以结合传统的基于运动学方程的运动控制方法,从而使系统不但能够避免顶层的逻辑故障,而且能够确定机器人执行器的输入信号.     

加速度约束条件下的非完整移动机器人运动控制

将移动机器人的运动规划与跟踪控制问题合并在一起,对加速度约束条件下的非完整移动机器人运动控制问题进行研究,提出基于贝塞尔曲线的路径规划方法,以满足机器人的非完整约束．在考虑所受加速度约束的条件下,通过规划机器人状态时问轨线的方法实现了时间最优的轨迹规划．基于控制李亚普诺夫函数推导出了轨迹跟踪的控制律．仿真实验结果表明所提出的算法是有效的．     

The VFO-Driven Motion Planning and Feedback Control in Polygonal Worlds for a Unicycle with Bounded Curvature of Motion

Integrated motion planning and control for the purposes of maneuvering mobile robots under state- and input constraints is a problem of vital practical importance in applications of mobile robots such as autonomous transportation. Those constraints arise naturally in practice due to specifics of robot mechanical construction and the presence of obstacles in motion environment. In contrast to approaches focusing on feedback control design under the assumption of given reference motion or motion planning with neglection of subsequent feedback motion execution, we adopt a controller-driven motion planning paradigm, which has recently gained attention of many researchers. It postulates design of motion planning algorithms dedicated to specific feedback control policies, which compute a sequence of feedback control subtasks instead of classically planned open-loop controls or parametric paths. In this spirit, we propose a motion planning algorithm driven by the VFO (Vector Field Orientation) control law for the waypoint-following task. Presented analysis of the VFO control law reveals its beneficial properties, which are subsequently utilized to solve a generally nonlinear and non-convex optimal motion planning problem by formulating it as a mixed-integer linear program (MILP). The solution proposed in this paper yields a waypoint sequence, which is designed for execution by application of the VFO control law to drive a robot to a prescribed final configuration under an input constraint imposed by bounded curvature of robot motion and state constraints resulting from a convex decomposition of task space. Satisfaction of these constraints is guaranteed analytically and exactly, i.e., without utilization of numerical approximations. Moreover, for a given discrete set of possible waypoint orientations, the proposed algorithm computes plans optimal w.r.t. given cost functional, which can be any convex linear combination of quantities such as robot path length, curvature of robot motion, distance to imposed state constraints, etc. Furthermore, the planning algorithm exploits the possibility of both forward or backward movement of the robot to allow maneuvering in demanding environments. Generated waypoint sequences are a compact representation of a motion plan, which can be immediately executed with the VFO controller without any additional post-processing. Validity of the proposed approach has been confirmed by simulation studies and experimental motion execution with a laboratory-scale mobile robot.     

Optimal regulation of a cable suspended robot equipped with cable interfering avoidance controller

Closed-loop regulation of a spatial cable suspended robot is performed in this paper subject to maximizing the Dynamic Load Carrying Capacity (DLCC) of the end-effector while the cable interference is avoided actively. Optimization is performed between two predefined boundaries and considering the cable interference constraint. This constraint is satisfied by designing a controller which prevents the cables’ collision. The overall formulation of the closed-loop optimal control based on Feedback linearization is derived in this paper for planning the optimal path with the highest load capacity. Then a complementary adaptive controller is designed and implemented to the main controller which is responsible for providing cable interfering avoidance. The efficiency of the designed controller for preventing the cables’ collision is shown by performing and analyzing some comparative simulations conducted on an under constrained cable robot with six cables and six DOFs. All results related to regulation, tracking and DLCC are compared between the simple optimal closed-loop system and the system which is equipped with the proposed cable interfering avoidance controller. It is proved that the planned path satisfies cable interference constraint while its DLCCs are optimized.     

异构多目标差分-动态窗口算法 及其在移动机器人中的应用

为了实现在多移动机器人和多窄通道的复杂动态环境中机器人的节能运动规划,提出异构多目标差分-动态窗口法(heterogeneous multi-objective differential evolution-dynamic window algorithm,HMODE-DWA).首先,建立行驶时间、执行器作用力和平滑度的3目标优化模型,设计具有碰撞约束的异构多目标差分进化算法来获得3个目标函数的最优解,进而在已知的静态环境中获得帕累托前沿,利用平均隶属度函数获得起点与终点间最优的全局路径;其次,定义基于环境缓冲区域的模糊动态窗口法使机器人完成动态复杂环境中避障,利用所提出的HMODE-DWA算法动态避障的同时实现节能规划.仿真和实验结果表明,所提出的混合路径规划控制策略能够有效降低移动机器人动态避障过程中的能耗.     

Long-term stealth navigation in a security zone where the movement of the invader is monitored

This paper deals with the security robot motion planning in order to stealthily approach the backside of the invader based on an active prediction planning execution (APPE) strategy. The stealth navigation is needed in the security system because the invader will try to run away from the robot when it detects the robot. We propose an algorithm for making the robot to approach the invader stealthily within a desired range. We predict the long-term motion of the invader and plan the security robot motion by using detection map. It represents the region that the robot can move stealthily on a certain path. The robot motion can be separately planned as a geometric path and a speed profile using detection map. The path is planned on the predetermined roadmap. The speed profile is planned so that the robot is not detected by the invader. The simulation results demonstrate that our algorithm is efficient for shortening the distance between the robot and the invader when the invader first detects the robot. Our algorithm is compared with the case that does not consider the stealth condition of the robot and the grid-based method.     

Method for tuning the motion planning parameters of a mobile robot

This paper presents a method for configuring the motion planning system of an omniwheeled mobile robot with a differential drive. A simulation program that models the horizontal movement of the robot is described. This simulation program is used to select the optimal parameters for the differential drive control algorithm. Then, the motion planning system is tested on a real robot, which is called RB-2, to adjust the parameters selected. This approach allows the control algorithm to be tuned efficiently and effectively, minimizing the number of its test runs on the physical robot.     

机器人的CP-nets优化类人轨迹规划

机器人移动轨迹按照人的手臂来模拟是提高机器人安全性和人机交互能力的有效方法,特别是针对机器人抓取路径不唯一的场合,类人行为对于人机系统表现更加自然。此前,通常利用Kinect等设备,基于人工神经网络和K近邻算法等智能算法对类人轨迹进行规划,但无法获得未采样过的最优轨迹。本文基于CP-nets采用偏好模型研究类人运动轨迹,然后将该模型应用于机器人控制,在没有采样的情况下,也可得到最优的类人轨迹。实验结果表明,基于CP-nets 的类人规划轨迹具有较高的效率和舒适性,符合人的运动特征。     

Determining maximum payloads for cooperating robots under time-optimal control

This work presents an algorithm which evaluates the dynamic performance limit of a cooperating robotic system using movements planned for minimum time. Minimum-time movements characteristically require that a set of motors in the robot be driven at their maximum torque throughout the motion. These movements are limited by the combination of motor performance, mechanical advantage of the kinematic chain, and the location of the start and goal positions. By increasing the payload for a motion until a minimum-time solution is no longer feasible the payload limit of the system for the associated path is obtained. To illustrate the algorithm a detailed analysis of a robotic arm developed at Odetics Inc. is presented. The analysis includes numerical results for cooperating Odetics robotic arms using their maximum payload under time-optimal control. Furthermore, the maximum payload for the cooperating robotic system to perform the same motion with a 1 sec time constraint is determined.     

基于粒子群三次样条优化的移动机器人路径规划算法

针对移动机器人路径规划问题,提出了一种基于粒子群三次样条优化的路径规划方法．借助三次样条 连接描述路径,这样将路径规划问题转化为三次样条曲线的参数优化问题．借助粒子群优化算法快速收敛和全局寻 优特性实现最优路径规划．实验结果表明：所提算法可以快速有效地实现障碍环境下机器人的无碰撞路径规划,规 划路径平滑,利于机器人的运动控制．     

基于点云的补漆机器人系统

汽车补漆机器人需要面对各种不同大小的车型,适配各种造型曲面和颜色,这种高度自适应要求使得补漆机器人在目标跟踪、路径规划、运动空间等方面的设计难度远超汽车厂的喷漆机器人.因此需要重新规划喷漆路径,首先对汽车的点云数据进行分部位切割,然后以八邻域法计算封闭曲面轮廓,最后以切片法在曲面上生成光栅轨迹,形成了每一个补漆面的关键路径.设计了八轴桁架机器人系统,用蚁群算法计算生成八轴联动时的路径规划,再通过倍福的ADS协议将路径数据和梯形曲线的加速度下发到PLC运动控制程序,完成各关节轴的联动协同补漆运动.实测表明,该系统能针对不同汽车,自动控制机器人工具轴心以法向量对准任意曲面,并以联动方式驱动八轴平稳跟踪曲面运动.该系统可广泛应用于各种曲面的机器人加工.