Bionic Attitude Transformation Combined with Closed Motion for a Free Floating Space Robot

In order to realize the small error attitude transformation of a free floating space robot,a new method of three degrees of freedom(DOF) attitude transformation was proposed for the space robot using a bionic joint.A general kinematic model of the space robot was established based on the law of linear and angular momentum conservation.A combinational joint model was established combined with bionic joint and closed motion.The attitude transformation of planar,two DOF and three DOF is analyzed and simulated by the model,and it is verified that the feasibility of attitude transformation in three DOF space.Finally,the specific scheme of disturbance elimination in attitude transformation is presented and simulation results are obtained.Therefore,the range of application field of the bionic joint model has been expanded.     

扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用

采用用于冗余度机器人求解的扩展雅克比方法,通过引入次级任务实现了冗余度机器人的周期性控制.介绍了自行研制的4自由度轻型机器人,以指定的空间轨迹作为主要操作任务,采用姿态控制作为次级任务,对4自由度冗余机器人进行了逆运动学求解和实验验证.并给出了机器人关节空间的期望变量,得到了关节空间和笛卡尔空间的轨迹误差.     

六自由度装配机器人的动态柔顺性控制

为了提升工业机器人装配的精确性与柔顺性,提出适合工业六自由度装配机器人的动态柔顺性控制策略,使之不仅能够实现快速高精度的参考轨迹跟踪,而且能够动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能够保持良好的柔顺性接触力.构建机器人关节空间的标准动力学模型,并变换到末端执行器操作空间,获得操作空间的动态特性.给出该控制策略,主要包含参考轨迹给定模块、内环的轨迹跟踪控制器以及动力学参数辨识模块等.采用滑模算法设计轨迹跟踪控制器;采用阻抗滤波器,生成装配作业时末端执行器的期望运动轨迹;采用sigmoid函数设计轨迹跟踪与接触力控制的判别模块;采用最小二乘算法,设计动力学参数辨识模块.采用Lyapunov函数证明了该控制策略的大范围渐进稳定性和收敛性.基于装配实验台上进行现场装配和动态轨迹跟踪的对比性仿真实验研究.仿真实验结果表明：与典型的比例微分（PD）控制相比,动态柔顺性控制能够在较宽广的范围内实现更精确的空间轨迹跟踪和接触力柔性控制,平均相对误差可以有效地控制在-4%到+4%之内.     

The collision-free trajectory planning for the space robot to capture a target based on the wavelet interpolation algorithm

In the research of path planning for manipulators with many DOF, generally there is a problem in most traditional methods, which is that their computational cost (time and memory space) increases exponentially as DOF or resolution of the discrete configuration space increases. So this paper presents the collision-free trajectory planning for the space robot to capture a target based on the wavelet interpolation algorithm. We made wavelet sample on the desired trajectory of the manipulator’s end-effector to do trajectory planning by use of the proposed wavelet interpolation formula, and then derived joint vectors from the trajectory information of the end-effector based on the fixed-attitude-restrained generalized Jacobian matrix of multi-arm coordinated motion, so as to control the manipulator to capture a static body along the desired collision-free trajectory. The method overcomes the shortcomings of the typical methods, and the desired trajectory of the end-effector can be any kind of complex nonlinear curve. The algorithm is simple and highly effective and the real trajectory is close to the desired trajectory. In simulation, the planar dual-arm three DOF space robot is used to demonstrate the proposed method, and it shows that the algorithm is feasible.     

基于混合粒子群优化的仿袋鼠机器人站立平衡控制

为提高仿袋鼠机器人的站立平衡控制性能,基于混合粒子群算法对机器人的平衡控制进行了优化.首先,将在地面站立平衡时的仿袋鼠机器人简化成一个倒立摆模型,使用拉格朗日方法对机器人进行动力学建模.然后,基于机器人的动力学模型设计了线性二次型控制器,并使用混合粒子群算法对线性二次型控制器的权重矩阵进行优化.最后,使用优化的线性二次型控制器对仿袋鼠机器人站立平衡控制进行了仿真实验.优化后的控制器的调节时间比优化前明显缩短,结果表明:基于混合粒子群算法优化的线性二次型(linear quadratic regulator,LQR)控制器可以提高系统的稳定性和鲁棒性,能有效降低控制器参数的整定工作量.     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

9-DOF超冗余机器人轨迹规划优化算法

以太空舱内机器人系统9-自由度（DOF）超冗余模块机器人为研究对象,以避关节极限作为优化指标,考虑容错性能,利用微分运动的方法,分别提出了适于计算机迭代计算的冗余机器人在笛卡儿空间进行手爪姿态可变时的直线轨迹优化算法和手爪经过空间中任意不共线3点决定的平面内的圆弧轨迹优化算法。在优化算法的验证实验中,实现了利用冗余机器人完成直线轨迹拉抽屉、抓棒料和圆弧轨迹开厨门等动作。     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

基于多空间混合约束的NAO机器人抓取轨迹规划

为提高NAO机器人手臂抓取物体的可靠性,本论文提出关节空间和笛卡尔空间控制相结合的方法,设计NAO机器人手臂的轨迹进行目标抓取。由于目标大小已知,利用关节空间控制可以预先设定NAO机器人抓取的最佳姿态,即NAO机器人手臂各个关节角度。运用正运动学,计算手臂移动位置。在设定姿态后的位置与目标点之间,利用笛卡尔空间控制进行轨迹规划。实验表明,在NAO坐标系下,手臂抓取范围内该算法能够在给定范围内准确地完成空间抓取目标任务。     

基于改进傅里叶级数的机器人动力学参数辨识

针对机器人动力学参数辨识的问题,提出一种基于改进傅里叶级数的辨识方法.采用静态连续摩擦模型描述机器人关节摩擦特性,以确保基于该模型的摩擦补偿是物理可实现的.推导得到机器人动力学模型的线性形式.设计严格满足速度、加速度边界条件的改进傅里叶级数作为激励轨迹,并根据条件数准则优化激励轨迹系数.考虑测量噪声的影响,采用最大似然法作为参数估计的方法.实验结果表明,采用所提方法的辨识结果能够准确重构机器人关节力矩值.且相比于传统的基于傅里叶级数的辨识方法,该方法提高参数辨识的精度.     

基于神经网络的机械手鲁棒输出跟踪控制

针对一类参数未知的机械手输出跟踪鲁棒控制问题，应用输入／输出反馈线性化方法和Lyapunov稳定理论，提出了一种基于神经网络建模的机械手输出跟踪自适应鲁棒控制器，采用三层前向神经网络来逼近未知非线性函数，网络的权值依据Lyapunov稳定性进行实时修正，保证了相应闭环系统的稳定性，所提出的控制器保证了跟踪误差及相应闭环系统的状态－致最终有界，且不需预知不确定性的上界，以两自由度移动关节刚性机械手的跟踪控制问题的为例进行了仿真，结果表明所提出方法是行之有效的。     

Analysis and comparison of three leg models for bionic locust robot based on landing buffering performance

Good landing buffering performance can reduce impact and vibration for the bionic locust jumping robot; thus, a landing buffer is important in evaluating the motion performance of the bionic locust robot. In particular, the legs of the robot are the main structures that realize the buffer; thus, its structure affects buffering performance. Three typical leg structure models are established based on the physiological analysis of the locust leg and research status, namely, bionic leg, multi-constraint leg, and arc legs. Kinematic and force analyses are conducted for these types of legs. Particularly, flexible deformation of leg link is considered in the analysis to describe the movement process accurately. In order to compare the buffering performance of these types of legs quantitatively, the performance indices with maximum buffering distance, the energy absorption capability, and the mechanical property are presented. Based on the performance indices, the structure parameters are analyzed and optimized. The buffering performance of the three leg structures is compared with the comprehensive performance of different structures in each best state. This study offers a quantitative analysis and comparison for different legs of bionic locust jumping robot based on landing buffering performance. Furthermore, a theoretical basis for future research and engineering applications is established.     

并联式髋关节康复机构设计及分析

在分析人体髋关节的结构特点和运动机制的基础上,提出采用一种3-UPU空间并联结构来设计髋关节的康复机构。基于旋量理论,对该机构的自由度进行了计算,同时对该机构动平台的位置和速度进行了分析和计算。该并联机构具有3个转动自由度且满足转动轴线交于一点,可用于实现髋关节3个转动自由度的康复训练。该分析为下一步的机构奇异分析和运动空间分析打下了基础,同时为并联机构的研究提供了新的思路。     

漂浮基空间机器人姿态与末端爪手协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人系统的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人的运动Jacobi关系及系统动力学方程。以此为基础,借助于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂末端爪手协调运动的滑模控制方案。此方案可有效地减少控制系统的在线计算时间,更能满足空间机器人这一时变系统控制的实时、在线要求。数值仿真结果证实了该控制方案的有效性。     

基于MATLAB的6R焊接机器人运动学的仿真研究

为了更好地控制焊接机器人进行精准的焊接作业,以ABBIRB1600型焊接机器人为研究对象,利用MATLAB分析了它的正运动学、逆运动学和轨迹规划问题。基于标准D-H法对其进行建模,建立正运动学方程;在正向运动学的基础上,通过矩阵求逆的方法生成多组非线性方程并得到机器人各关节角度变量的8组解;在关节空间内对该机器人进行运动轨迹仿真,得到各关节轴的角位移、角速度和角加速度随时间变化的平滑曲线,仿真结果证明了所建立的运动学方程的正确性以及该机器人参数的合理性。为后续焊接机器人的轨迹规划研究提供了必要的理论基础和正确的运动学模型。     

基于点球约束的七自由度机器人误差建模与参数辨识

自动化装配对于机器人绝对定位精度提出了更高的要求,由于各种误差因素的影响,机器人理论位姿和实际位姿总是存在着一定的误差,若绝对定位精度过低,容易导致装配过程中零部件之间发生碰撞,严重影响着装配机器人的应用与推广。标定技术是提高定位精度的主要手段,误差建模、数据测量、参数辨识是标定与误差补偿过程中的重要环节。为此,提出了一种基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法：1)通过在机器人末端安装的六维力传感器反馈末端受力情况控制机器人以多种姿态使标定锥与靶标球球面重合,记录接触时各关节的位置数据;2)以靶标球球体半径为适应度函数,利用遗传算法辨识误差参数,从而建立完整的误差补偿模型。以自主研制的七自由度装配机器人为研究对象,针对装配机器人的结构特点,由正向递推建立机器人的正运动学方程,应用固定关节法与反变换法获得机器人逆运动学方程;基于D-H模型,建立机器人的运动学误差模型,在理论研究中,预设定误差参数与位姿变换矩阵,通过牛顿迭代法获取了关节变量值,将关节变量值代入正运动学方程进行验证,利用遗传算法进辨识误差参数,将辨识结果代入运动学模型中进行验证,机器人定位精度得到明显提高。通过实验,采用点球式标定方法采集机器人关节数据,应用遗传算法辨识误差参数,将所求得的误差参数代入误差模型中进行实验,绝对定位精度提升了76.74%,验证了基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法的有效性,为多自由度机器人标定研究提供有益参考。     

仿生机器鱼近壁面流场识别的人工侧线方法

针对仿生机器鱼目标近距离作业时的环境识别难题,提出一种基于人工侧线(ALL)的近壁面流场识别方法。理论分析了ALL感知近壁面流场环境的可行性,建立了ALL虚拟压力传感器阵列并采用计算流体动力学(CFD)方法计算并提取了不同参数条件下(来流速度v,靠壁距离d和游动频率f)仿生机器鱼的体表压力数据,建立了基于多层前馈神经网络的来流速度和靠壁距离预测回归模型,并对模型结构和数据特征进行了优化。结果表明:壁面效应将引起鱼体周围流场结构的非对称分布,鱼体头部和尾部的侧线传感器对流场参数的辨识度高,消除弱相关的特征对来流速度和靠壁距离预测指标的影响小且有利于降低预测模型的复杂度。研究结果能够为水下机器人环境识别的信息提取及处理提供理论方法。     

柔性机器人协调操作的力可操作性研究

研究了柔性机器人协调操作的力可操作性（当机器人各关节驱动能力一定时,机器人向外界施加力的能力）．在柔性机器人有限元模型基础上,通过分析各驱动关节平衡力矩、夹持广义力、关节校正输入量及被操作负载广义弹性位移之间的关系,利用附加不等式约束的方法,得出柔性机器人阶调操作系统在满足给定驱动性能时广义操作力矢端的外边界,随后给出了仿真算例．     

空间机器人关节空间轨迹跟踪的补偿学习控制

讨论了具有不确定性的漂浮基空间机器人系统的控制问题。在载体位置不控、姿态受控情况下,结合系统动量守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。由系统的闭环动态误差方程,设计了漂浮基空间机器人的控制方案,提出了一种补偿学习控制方法,给出了漂浮基空间机器人系统的数值仿真,验证了该方法的有效性。     

平面关节型机器人关节力矩的卡尔曼估计

为了解决常用测电流获取机器人关节力矩方法中,各种噪声干扰使所得关节力矩波动较大,影响机器人控制信息可靠性的问题,提出基于机器人动力学模型的卡尔曼滤波方法对关节力矩进行估计.运用牛顿欧拉方法对平面关节型机器人（SCARA）进行动力学建模,获得非线性连续的机器人关节力矩方程.通过多元函数一阶泰勒展开将非线性连续的关节力矩方程转换为关于关节力矩的线性离散状态空间模型.利用卡尔曼滤波方法对关节力矩进行估计.实验结果表明,该关节力矩估计方法对机器人前两轴的关节力矩估计精度较好,与均值滤波方法相比均方根误差分别减少了2.9%和14.7%;且实时性较好,完成一次估计平均需时不超过1 ms.但关节力矩值的估计精度受动力学模型精度的影响.