冗余自由度机器人的自运动控制和动态性能优化

关节空间自运动可能出现失控是大部分冗余自由度机器人动力学优化算法都存在的问题。本文分析了产生此问题的原因，提出了解决问题的途径，在此基础上提出的两种算法不但能够处理此类问题，而已实现了关节速度模和关节刀矩的同时优化，即运动学和动力学指标的同时优化。     

用分离空间法解决冗余度机器人的最优规划

通过对冗余度机器人运动学的研究，提出了用分离空间法解决冗余度机器人的最优规划问题。将雅可比矩阵分为基本部分和次要部分，相应地描述机器人运动状态的物理量也分成两部分。在此基础上进行轨迹规划，回避对雅比矩阵伪逆的直接求解。     

连续三轴平行机器人的避奇异规划

针对具有连续三轴平行结构的六自由度机器人,提出一种新的回避奇异的方法。通过分析机器人雅可比矩阵的结构,对雅可比矩阵进行改造;将六维的雅可比矩阵分割成两个三维雅可比矩阵。在此基础上,确定了机器人发生奇异的条件;并利用二次规划实现了机器人的避奇异;最后,通过实验验证了该算法的适用性,并与现有的最小阻尼方差等方法进行了比较,有较大的优越性。     

太阳能电池自动布贴机器人动力学分析与仿真

对空间太阳能电池片自动布贴机器人的大尺寸机构系统进行了深入研究,考虑关节运动为全约束运动,利用Eu ler变换法和Lagrange方程对机器人的两个主要运动系统导向定位系统和布贴系统进行了运动学和动力学建模分析,导出了描述两运动系统的雅可比矩阵以及显示形式的动力学方程,通过仿真证明了数学模型的正确性,为进一步研究该机器人的运动控制和轨迹规划问题打下了基础.     

一种稳定的冗余度机器人动力学解法

对冗余度机器人动力学优化中的零空间最小关节力矩法和伪逆法进行了研究,阐述了运动学和动力学同时优化的必要性,提出了一种在加速度级上以最小奇异值为优化性能准则的关节轨迹规划方法.以平面三自由度机器人为仿真对象,在长轨迹情况下对三种算法进行了仿真.仿真结果表明,所提出的算法具有良好的稳定性,并极大地改善了关节空间的终态自运动现象,证明了算法的有效性.     

冗余度机器人在一般限制条件下的最优轨迹规划

在讨论冗余度机器人的最优轨迹规划过程中，提出了扩展雅可比矩阵法。将雅可比矩阵和限制条件函数对各关节位置的导数阵联合起来，构成扩展雅可比方阵。讨论了扩展雅可比矩阵的逆，得到了一般限制条件下的最优解与最小范数解的关系，并用此关系进行最优轨迹规划。     

三分支空间机器人的迭代运动学逆解

基于旋量理论指数积公式及空间雅可比矩阵,对三分支空间机器人逆运动学求解问题进行了研究,提出了一种通用的三分支机器人逆解迭代算法,并建立了统一的逆运动学求解模型。对于具有球腕结构的三分支机器人,给出了位姿解耦形式的简化算法。该算法较速度级控制法计算精度更高,且不依赖于机器人的构型,适合于构型不确定的模块化机器人。通过搬运物体的仿真试验,验证了算法的有效性。     

一种全方位护理移动机器人的结构设计与运动学分析

针对需要护理的环境背景及机器人的作业要求,提出了一种全方位护理移动机器人的设计方法,运用solidworks进行了各部分结构初期设计,并在ADAMS中对该虚拟样机进行了动力学仿真,完成了对选型的电机进行了验证;利用D-H方法建立了机器人上肢单臂运动学模型,得到了机器人的运动学正逆解;通过对上肢双臂建立两杆避碰模型,提出了两种相碰的检验条件,选出了最佳检测避碰方案,解决了约束条件下双臂的逆运动学问题;在Matlab环境下,利用蒙特卡罗法计算出工作空间,为确定机器人构形、参数和杆长的优化提供了依据;基于移动机器人在特定环境中的运行稳定性、应用范围、承载能力等特点,对机器人下肢移动方式进行了优化选择,采用全方位移动的完整约束Mecanum轮结构并建立下肢运动学模型,通过对其逆运动学速度雅可比矩阵秩的计算,结合具体结构的分析,优选出四轮全方位运动系统的最佳结构布局形式,提高了机器人运动过程中的稳定性.     

新型6-PRRS并联机器人运动学和动力学研究

利用旋量理论和指数积方法求解了6-PRRS并联机构主动关节与被动关节的位置逆解。根据该并联机构的输入输出映射关系,推导出一种基于速度投影的雅可比矩阵求解方法。提出一种解决新型6-PRRS并联机器人逆动力学问题的系统方法,采用Lagrange法建立并联机器人的刚体动力学关系,应用虚功原理最终获得动力学模型。解决了6-PRSS并联机器人一系列运动学和动力学问题,这些方法具有一定的通用性,适用于类似并联机构的分析与研究。     

基于Mathematica的七自由度手术机器人运动学分析

随着微创手术在临床上的广泛应用,手术机器人在外科手术领域得到了飞速发展。首先基于Mathematica对七自由度手术机器人进行建模,给出其D-H表,然后推导运动学正逆解及雅可比矩阵,并据此进行运动特性分析,最后通过运动学仿真模拟手术机器人的运动过程,对其运动学特性及工作空间进行了验证,保证了设计的可靠性,为其动力学研究打下了基础。     

基于最小流量的液压机械臂冗余分解

针对冗余液压机械臂预设轨迹下的能量优化问题,提出基于最小流量的液压机械臂冗余分解方法. 采用D-H参数法推导液压机械臂的运动学方程,构建末端速度与液压缸缸速的映射,建立系统能耗模型. 基于最小缸速范数法求解能量次优的冗余分解以部分降低能耗. 以液压系统流量最小为目标,通过优化加权雅可比矩阵求解能量最优的冗余分解. 为了提高计算效率,提出加权雅可比矩阵权值的动态优化方法,实现在线最优运动规划. 在研制的液压机械臂试验平台对冗余分解方法进行试验验证. 三关节平面运动试验结果表明,相比于现有梯度投影法和最小缸速范数法,所提最小流量优化方法相同末端轨迹的运动能耗降低超过5%.     

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.     

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.     

Optimal design of dynamic and control performance for planar manipulator

k]A design and optimization approach of dynamic and control performance for a two-DOF planar manipulator was proposed. After the kinematic and dynamic analysis, several advantages of the mechanism were illustrated, which made it possible to obtain good dynamic and control performances just through mechanism optimization. Based on the idea of design for control (DFC), a novel kind of multi-objective optimization model was proposed. There were three optimization objectives: the index of inertia, the index describing the dynamic coupling effects and the global condition number. Other indexes to characterize the designing requirements such as the velocity of end-effector, the workspace size, and the first mode natural frequency were regarded as the constraints. The cross-section area and length of the linkages were chosen as the design variables. NSGA-II algorithm was introduced to solve this complex multi-objective optimization problem. Additional criteria from engineering experience were incorporated into the selecting of final parameters among the obtained Pareto solution sets. Finally, experiments were performed to validate the linear dynamic structure and control performances of the optimized mechanisms. A new expression for measuring the dynamic coupling degree with clear physical meaning was proposed. The results show that the optimized mechanism has an approximate decoupled dynamics structure, and each active joint can be regarded as a linear SISO system. The control performances of the linear and nonlinear controllers were also compared. It can be concluded that the optimized mechanism can achieve good control performance only using a linear controller.     

基于多种群竞争松鼠搜索算法的机械臂时间最优轨迹规划

针对传统智能优化算法在机械臂关节空间进行时间最优轨迹规划应用中存在的寻优效率低、优化结果全局性和稳定性差的问题,提出新的机械臂时间最优轨迹规划方法. 在建立机械臂关节空间内的时间最优轨迹规划模型时考虑位置约束,根据输入的关节点列,使用S形曲线估算时间的取值区间,对生成算法的所有个体进行多种群竞争迭代,得出机械臂关节空间轨迹规划的时间最优解. 与不同算法的仿真对比试验结果表明,所提方法较传统的优化算法具有更高的寻优效率和更好的优化全局性;所提方法的稳定性好,其多次优化结果的方差相较单种群算法低3个数量级.     

铰接机械手运动和动力参数的转换

变换矩阵用来建立起铰接机械手与传统方法所获得机械手的扭矩,速度,雅各比矩阵及齐次变换矩阵之间的关系。找出在执行机构空间和在关节空间内的扭矩,速度,雅各比齐次变换矩阵之间的关系。一旦得到这一矩阵,用传统公式计算的扭矩及雅各比可变换成铰接机械手的实际扭矩和雅各比。