可重构机器人封闭形式的运动学逆解计算

由于可重构机器人构型的多样性,其运动学逆解的自动生成是应用中的关键问题。采用旋量和指数积公式建立可重构机器人的运动学模型,系统地分析了指数积公式的化简方法、子问题的分类和计算方法并加以实现,为可重构机器人封闭形式的运动学逆解提供了一种通用的可分解的计算方法,降低了求解的复杂性。通过一个典型实例验证了算法的有效性与可重用性。     

Generation of closed-form inverse kinematics for reconfigurable robots

For reconfigurable robots, the automatic generation of inverse kinematics is a key problem, because such robots may assume various configurations. In this paper, the screw and product-of-exponentials (POE) formula are used to model the kinematics of reconfigurable robots. The POE formula can be converted to canonical subproblems through decomposition and adjoint transformation. Three classes and 28 types of subproblems containing geometric or algebraic solutions are identified and solved, which can be reused in different configurations. A generalized, decomposable, and reusable approach for close-form inverse kinematics of reconfigurable robots is developed based on POE and subproblems. The effectiveness of this method is shown in an example.     

Generation of closed-form inverse kinematics for reconfigurable robots

For reconfigurable robots, the automatic generation of inverse kinematics is a key problem, because such robots may assume various configurations. In this paper, the screw and product-of-exponentials (POE) formula are used to model the kinematics of reconfigurable robots. The POE formula can be converted to canonical subproblems through decomposition and adjoint transformation. Three classes and 28 types of subproblems containing geometric or algebraic solutions are identified and solved, which can be reused in different configurations. A generalized, decomposable, and reusable approach for close-form inverse kinematics of reconfigurable robots is developed based on POE and subproblems. The effectiveness of this method is shown in an example. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(8): 210–214 [译自: 机械工程学报]     

基于BP神经网络的冗余机械臂逆运动学分析

常见的七自由度冗余机械臂逆运动学解法较为繁杂,且对不同构型机械臂的逆运动学解法通用性较差。为了找到一种通用的七自由度机械臂逆运动学求解方法,建立了神经网络模型,选择了合适的激励函数、隐藏层神经元数量、神经网络层数和学习速率等模型参数。设计轨迹跟踪实验对神经网络模型进行验证,实验数据证明该方法有效且精度较高,是一种可行的冗余机械臂逆运动学求解方法。     

基于MATLAB五自由度机械手运动学仿真分析

五自由度工业机械手可应用于搬运、码垛作业时对目标物体的抓取。以该五自由度工业机械手为研究对象,用常规的D—H法建立运动学数学模型,进行正、逆向运动学分析,然后,利用代数法依次求解出正、逆运动学方程,分别得出了操作臂末端在基坐标系下的位置关系式和各关节的参数变量,最后,用MATLAB软件对正运动学分析结果进行了仿真。     

空间3R机械手逆向运动学的多模块神经网络求解

提出用多模块神经网络的方法求解空间3R机械手的逆运动学多解。通过几何分析,将关节空间划分为多个只有唯一逆运动学解的关节子空间,每个子空间均用3个单输出的BP神经网络训练和求解。通过仿真试验并与其他方法对比,表明该方法不仅可以准确地划分逆运动学解的取值范围,还可以快速求得高精度的逆运动学多解。     

遥操作机器人系统的位置差-力差双向控制策略研究

针对目前遥操作机器人双向控制策略中所存在的力反馈冲击过大及主、从手间的位置跟随特性差等问题,综合传统的位置对称型和力偏差反馈型控制方法的优点,提出新型的位置差-力差双向遥操作机器人控制策略.通过仿真验证了所设计控制器的有效性.仿真结果表明,所设计的控制器,既解决了力反馈冲击问题,又提高了主、从位置跟随精度,从而提高了遥操作机器人系统的操作性能.     

基于组合优化算法的6R机器人逆运动学求解

针对逆运动学求解存在的多解、精度低及通用性差等问题,提出了一种适用于各类6R工业机器人求逆解的组合优化算法。根据经典D-H法建立了机器人运动学模型,以最小化位姿误差为目标,结合运动平稳性原则构造了逆解问题的目标函数,以线性加权和法设计了适应度函数。通过混沌映射初始化种群、收敛因子非线性更新、自适应惯性权重位置调整及引入模拟退火策略等4种措施得到了一种改进的鲸鱼优化算法,并用于逆运动学求解。组合算法将鲸鱼算法求解的结果作为初始值,再利用Newton-Raphson数值法迭代出满足精度要求的运动学逆解。仿真试验结果表明：改进后的鲸鱼算法求解性能得到了较大提高,相比于直接利用鲸鱼算法进行逆运动学求解,组合优化算法具有求解速度快、稳定性好、精度高的特点,证明了该算法求逆的可行性与有效性。     

一般6-6型平台并联机构位置正解代数消元法

提出一种求解一般6-6型平台并联机构位置正解的代数消元法.通过变量替换将9个约束方程中的6个转换为线性方程组,采用线性消元消去9个变量中的6个.基于计算机符号计算,运用计算机代数系统中的分次字典序Groebner基算法,推导出15个只含剩余3个变量最高次数为4次的多项式,应用推导出的多项式构造Sylvester结式,获得一般6-6型平台并联机构位置正解的一元高次方程,通过分析符号形式方程组变量的次数,得出该一元高次方程的次数为20次且该机构位置正解最多有40组解的结论.通过改变单项式的分次字典序,在理论上阐明存在多个不同的结式都可以获得该机构的位置正解.推导出的15个符号形式的多项式可直接用于求解一般6-6型平台并联机构位置正解,从而实现该问题的数学机械化求解.最后给出数字实例,经反解验证所有解满足原始方程,且无增根.     

Design of feedforward and feedback position control for passive bilateral teleoperation with delays

Bilateral teleoperation systems connected to computer networks such as the internet must be able to operate with varying time delays since such systems can easily become unstable. A passivity concept has been used as the framework to solve the stability problem in the bilateral control of teleoperation systems. Passivity and tracking performance are recovered using a control architecture that incorporates time varying gains into the transmission path, feedforward, and feedback position control. The proposed architecture has an inner component that can accommodate any configuration but still remain stable and passive even with varying time delay. The simulation results for a single degree of freedom master/slave system demonstrate the performance of the proposed control architecture.     

HNC-IR机器人运动学方程的研究及求逆的新方法

在对ＨＮＣ－ＩＲ机器人进行结构分析的基础上,建立了机器人运动学模型,提出了一种析的机器人逆运动学的求解方法,与传统方法相比,此方法大大减少了计算运动方程正逆解的计算量。这时还结合具体机构,对一次逆解过程中解方程没有封闭解情况,运用多重计算的方法作了处理,取得了很好的效果。     

平面三自由度机械臂的轨迹规划及仿真

根据D-H坐标变换方法建立平面三自由度机械臂的齐次坐标变换矩阵,用代数方法建立逆运动学方程的数学模型;通过程实现对数学模型的求解,获得机械臂各关节的数据.通过对求解的数据进行处理导入到Adams软件中建模仿真,仿真结果验证数学建模计算数据正确,方法可靠.     

新型气动弯曲关节手指的运动学分析

提出了一种新型气动弯曲关节手指，并应用坐标变换的方法建立了手指的运动学方程。介绍了基于Hopfield网络求解运动学逆解的算法。仿真结果表明，手指具有良好的轨迹跟踪性能。     

6-HUS并联机构位置逆解与运动学优化设计

针对并联机构设计过程复杂、设计周期长等问题,对6-HUS并联机构运动学逆解及相关参数的优化进行了研究.建立了运动学逆解方程并得到解析解,应用ADAMS软件进行参数化建模并仿真;通过解析解和模拟解的对比,验证模型的正确性;根据性能要求,以滑块最大速度最低为目标对机构结构尺寸进行了优化设计.分析结果表明:该方法方便快捷,缩短了设计周期,降低了产品成本,为同类机构的设计提供了较为精确的实用方法.     

冗余仿人臂避关节物理约束的一种逆运动学问题求解方法

冗余仿人臂有无穷多组逆运动学解满足末端位姿要求,但由于其连杆机构与形状的设计仿人臂每个自由度都有关节位置物理约束。为使所求取的逆运动学解最大化地远离仿人臂关节限位,提出冗余仿人臂(8-DOF)一种几何-数值迭代相结合求解逆运动学问题方法,该方法在计算出仿人臂逆运动学解几何表达式基础上,以仿人臂的“远离限位度”指标构建适应度函数并以此为寻优目标,通过粒子群优化方法(Particle swarm optimization,PSO)搜索冗余关节角最优组合,并获得满足仿人臂末端位姿要求的最优逆运动学解。该方法不仅解决了冗余仿人臂逆运动学多解问题,而且所求关节角不存在理论误差、求解速度快及所求关节角远离关节位置限位裕量大的优点,仿真试验验证了该方法有效性。     

具有冗余度的三分支空间机器人逆运动学分析

为了给运动学优化、动力学优化与容错控制提供理论基础,利用旋量理论对具有冗余度的三分支空间机器人进行了逆运动学分析,并建立了统一的逆运动学模型。对于各分支具有球腕的三分支空间机器人,基于腕关节的封闭解,给出了简化的逆运动学模型。最后以每个分支有5个旋转关节的三分支空间机器人为例进行了计算机仿真,仿真结果证实了所提逆运动学模型的正确性。     

主从式外科手术机器人实时控制算法

针对机器人运动模型的非线性,导致异构型主从式外科手术机器人系统控制算法需要大量的计算的问题。基于线性化的思想,利用逆Jacobian矩阵将笛卡尔速度映射到关节速度,并用关节瞬时速度代替微小时间段内位移,线性化机器人运动学模型,减小计算量,满足机器人实现缝合打结等手术操作的实时性要求。通过增加反馈环节,消除机器人在工作空间下线性化模型的误差累积,提高系统整体大范围运动精度。关节空间内的样条插值方法,有效改善机器人运动特性,消除人手的抖动。本算法应用在“妙手”外科手术机器人系统上,成功地对兔子腿部微细动脉进行血管吻合手术操作。     

基于迭代算法的六自由度主从异构机器人的位置映射

现有基于运动学反变换法的六自由度主从异构机器人映射算法,存在超越函数和存在多解,导致映射算法设计复杂。为改善这一问题,设计了基于LabVIEW的六自由度主从机器人系统,并对主从映射算法和位置跟随误差进行研究。首先选择3-5RUU并联机构和FANUC多功能机器人分别作为主手和从手,并对主从手的构型进行分析;然后采用迭代算法建立系统的映射模型;其次,对从手跟随主手的位置误差进行研究;最后根据主从机器人的映射算法进行实验分析。建模过程与实验结果表明:所设计的映射算法简单有效,该系统可实现从手运动状况的提前验证与实时反馈。     

State-dependent differential Riccati equation to track control of time-varying systems with state and control nonlinearities

This work studies an optimal control problem using the state-dependent Riccati equation (SDRE) in differential form to track for time-varying systems with state and control nonlinearities. The trajectory tracking structure provides two nonlinear differential equations: the state-dependent differential Riccati equation (SDDRE) and the feed-forward differential equation. The independence of the governing equations and stability of the controller are proven along the trajectory using the Lyapunov approach. Backward integration (BI) is capable of solving the equations as a numerical solution; however, the forward solution methods require the closed-form solution to fulfill the task. A closed-form solution is introduced for SDDRE, but the feed-forward differential equation has not yet been obtained. Different ways of solving the problem are expressed and analyzed. These include BI, closed-form solution with corrective assumption, approximate solution, and forward integration. Application of the tracking problem is investigated to control robotic manipulators possessing rigid or flexible joints. The intention is to release a general program for automatic implementation of an SDDRE controller for any manipulator that obeys the Denavit–Hartenberg (D–H) principle when only D–H parameters are received as input data.     

基于主-从遗传算法求解柔性调度问题

通过分析柔性作业车间调度问题中工件与设备的特征及两者间的关系,提出了一种主一从遗传算法的调度方案。在该算法中,主、从染色体分别采用工件基因块和设备基因块的分块编码。主染色体代表可行加工路径组合,从染色体代表主染色体约束下的可行调度方案。然后,以最小化工件延迟时间为目标,为主染色体设计选择和多点变异两类遗传操作;以最小化设备空闲时间为目标,为从染色体设计选择、多点交叉和多点变异3类遗传操作。从染色体适应值取其代表的调度方案中工件流通时间的倒数,主染色体适应值取其对应从染色体种群的最优适应值。这种双层多点遗传操作避免了非可行解的产生,并可采用类似旅行商问题的遗传操作。最后,通过仿真和比较实验,验证了该算法的有效性。