基于分解动量的仿人机器人手臂高速运动实时平衡控制

本文面向仿人机器人7自由度手臂高速动态作业运动需求,提出了基于分解动量的仿人机器人实时平衡控制方法,给出了作业臂运动用末端执行器速度向量表示下的机器人总动量计算公式,分析了动量控制维度的择优选取原则,给出了基于分解动量控制的辅助臂关节速度实时计算优化方法.仿真实验表明,经过改进优化的分解动量控制方法对于仿人机器人手臂高速作业运动下的平衡控制具有较高的可行性和实时性,不仅所控制维度的分解动量完全达到了预期的效果,而且其他维度的分解动量也有所降低或基本维持不变,所生成辅助臂运动平滑且在关节运动性能上有较大裕度,机器人总体具有优秀的零力矩点(zero-moment point,ZMP)稳定性.     

空间机器人目标捕获过程中的载体姿态扰动优化

针对自由飘浮空间机器人在捕获目标的过程中会对其载体姿态产生扰动的问题,提出了一种新的笛卡儿轨迹参数化方法.建立了反映载体姿态变化的日标函数,该函数既可以限制机器人关节角的运动范围,也可以避免动力学奇异的影响.利用遗传算法进行目标函数的优化,有效降低了空间机器人末端执行器在跟踪笛卡儿轨迹时对载体姿态的影响.仿真结果验证了...     

空间大型末端执行器抓捕容差优化及其仿真

为了使空间大型末端执行器的抓捕操作性能得到最大程度的发挥,不同于传统的从机构设计角度得到末端执行器固定抓捕容差的方法,本文从优化设计学的角度出发,根据末端执行器的工作过程及其原理,将抓捕容差划分为捕获容差和拖动容差两部分,通过分析影响大型末端执行器抓捕容差的结构因素,分别建立了末端执行器捕获容差和拖动容差的数学优化模型,并基于线性加权法和惩罚函数法获得了抓捕容差最优值(128.58mm,128.58 mm,100 mm,15.12,15.12,16.32)T,同时得到了末端执行器本体相对应的结构参数.最终,采用仿真研究方法进行了抓捕容差优化及抓捕性能实验研究.实验结果验证了理论分析的正确性,证明本文提出的末端执行器数学优化模型合理,优化算法正确.     

基于似人特性的机器人拟人臂自主抓取动作规划

针对拟型服务机器人在家庭环境中的自主抓取任务,提出了一种强调运动姿态似人特性的机器人手臂动作的运动规划方法.该方法基于人体工程学中的快速上肢评估准则评价机器人运动姿态的似人特性,并在此基础上以机器人传速速率最优为目标规划机器人持物动作的姿态构型.最后以Motoman SDA10D拟人双臂机器人为例,具体介绍了该方法的应用和规划的结果,规划结果证明了该方法的可行性和有效性.     

自由落猫机器人时间最优下落轨迹研究

机器人在未知复杂环境下作业时,有从高处跌落的风险,所以需要考虑其空中的姿态调整能力,减轻由错误的着陆方式造成的伤害.当猫从高空坠落时,它总能通过自身调整安全落地.受这一生物学现象启发,通过研究猫能够安全落地的第一阶段,姿态调整阶段,首次提出以时间最优方式研究落猫机器人最优下落轨迹问题.首先利用轴对称双刚体模型导出机器人的数学模型,因为角速度不可积,将落猫机器人的姿态控制问题转变成非完整系统的运动规划问题.考虑到姿态调整所消耗的时间是决定调整结果较为重要的因素,随后以虚拟力矩输入取代真实角速度输入,建立时间优化函数,并构造了求解该函数的方法.然后以姿态调整耗时最短为控制目标,通过粒子群优化算法寻找目标最优解.最后运用所得最优解数据,在虚拟物理环境下进行了虚拟样机实验,并实现了落猫机器人的空中翻正动作.结果表明,该方法能有效地缩短自由下落机器人的姿态调整时间.     

基于平面约束的欠驱动爬壁机器人手眼标定方法

欠驱动机器人因难以像全主动关节机器人一样形成多种空间位姿,故无法直接使用经典的手眼标定方法.为解决这一问题,本文建立了其数学模型,并提出了一种基于平面约束的手眼标定方法.在该方法中,末端执行器的运动被约束于3维空间内的已知平面上,手眼标定的姿态矩阵和平移向量分别通过纯平移与纯旋转运动模式,结合对应的标定图像进行解耦求解.蒙特卡洛仿真实验结果表明,该标定算法有效、准确,且对噪声具有较好的鲁棒性.在所开发的欠驱动爬壁机器人上进行的实际试验中,定位误差被控制在1.5 mm以内.结果表明该标定方法简便易行,精度满足要求.     

穿刺手术机器人遥操作系统的控制策略研究

在分析穿刺机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台,并给出雅克比矩阵方法和PD控制律的联合控制方法。通过设计数字滤波器,以消除外科医生的手部低频抖动对穿刺手术机器人精度的影响。实验结果表明,从机器人末端执行器在笛卡尔空间坐标下能够精确、快速、安全地跟随主机器人末端执行器的位置变化,并且外科医生的手部抖动能够被有效消除。     

3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法

旋翼飞行机械臂(rotorcraft aerial manipulator,RAM)系统是安装在飞行机器人上的可操作型机械臂,悬停模式下执行准确的空中操作时旋翼无人机与所加机械臂之间存在相对扰动,通过分离机械臂与飞行机器人进行动力学建模并不能有效消除这种扰动.本文基于对相互扰动力学作用的分析建立整体动力学模型,并在悬停飞行模式下将其简化为线性控制参考模型.进而对旋翼系统控制延时所引起的动力学扰动进行补偿,同时设计预测控制器来消除末端执行器的位置和姿态误差.最后,在存在内部和外部扰动的情况下,设定销钉插入操作任务进行控制方法的对比仿真.末端执行器位姿偏差的仿真结果表明了模型结构与控制方法的有效性.     

一种机器人末端制孔接触式法向找正技术研究

针对飞机自动化装配中对机器人自动制孔设备的控制要求,设计出一套以工业机器人为载体,基于压力脚压紧条件下的法向找正机构。该机构基于多平面方程利用最小二乘法标定传感器初始位姿,采用新型接触式传感器测量产品表面数据, 精确计算当前刀具与产品表面的法向夹角;研究机器人找正算法,建立法向找正数学模型,计算出机器人需要到达的姿态,将数据发送到机器人控制器驱动机器人精确运动到正确位置,实现末端执行器上刀具与产品表面的法向重合。通过实验验证,该套系统末端制孔垂直精度在0.3°以内,完全满足航空标准0.5°的要求,提高了制孔质量。     

空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先,为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小,将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后,推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程,并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题,这种方法具有较高的计算效率。最后,利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。     

基于最优S型曲线轨迹的硅片传输机器人末端振动抑制方法

针对硅片传输机器人末端低频振动问题,提出了一种基于最优S曲线轨迹的硅片传输机器人低频振动的抑制方法.该方法通过推导在参数化S型曲线输入条件下非线性时变系统的动态响应近似方程得到系统低频振动的振幅方程,并通过优化振幅方程中的S型曲线参数使得低阶振动振幅达到最小值,从而实现低频振动的抑制.首先对硅片传输机器人进行运动学、末端位置误差以及刚柔耦合动力学建模并进行动态特性分析.随后推导了在参数化S曲线输入条件下系统末端的时域动态响应方程近似解析解与振幅方程近似解析解,并根据硅片传输机器人自身的动态特性给出了最优S曲线参数计算方法.最后分别通过数值仿真分析与实验对该方法进行验证.实验结果表明,应用该方法后硅片传输机器人末端x方向的低频振动的振幅降低了53.9%,y方向的低频振动的振幅降低了45%.     

仿人机器人轻型高刚性手臂设计及运动学分析

重点研究了7自由度轻型高刚性作业型仿人机器人手臂的机构设计和运动学分析方法.首先使用动力学仿真、有限元分析与实验测试相结合的方法,设计了仿人机器人手臂,该机械臂结构紧凑、质量轻、刚度高.同时,提出结合查询数据库和逆运动学计算去模仿人类手臂姿态,从而获得逆运动学最优解的方法.该方法不仅解决了冗余自由度带来的逆运动学多解问...     

基于似人特性的拟人臂机器人自主抓取动作规划

针对拟人臂机器人在家庭环境中的自主抓取任务,提出了一种强调运动姿态似人特性的拟人臂动作的规划方法.该方法分为两个部分,构型规划和运动规划,构型规划基于人体工程学中广泛使用的快速上肢评估准则评价机器人运动姿态的似人特性,并在此基础上以机器人末端传速速率最优为目标规划机器人运动过程中的关键构型.运动规划结合了Fitts定律和似人运动模型规划了机器人末端的空间轨迹.本文最后以Motoman SDA10D拟人双臂机器人和Mitsubishi PA10机器人为例,具体介绍了该方法的应用和规划的结果,规划结果证明了本方法的可行性和有效性.     

基于遗传算法的工业机器人时间最优轨迹规划及仿真研究

为了使工业机器人的末端执行器在任给路径下运行时间最短,在考虑机器人各关节速度、加速度、加加速度和力矩约束的情况下,以PUMA560为例,对工业机器人轨迹进行时间最优规划;在Matlab平台上,对该轨迹规划优化算法进行仿真,仿真结果表明机器人各关节时间最优轨迹规划比未处理的轨迹规划时间明显缩小6.999 4s,6.651 0s,6.351 2s,各个关节的轨迹曲线平滑,从而验证了该算法的有效性。     

多臂空间机器人稳定抓取力分配和柔顺控制策略

针对影响多臂抓取稳定性的接触力不平衡和接触振动问题,提出多臂空间机器人力分配和柔顺控制策略.首先,分析满足多臂稳定抓取的力学条件,基于摩擦锥约束设计抓取力安全系数,并将其引入力优化模型进行抓取力分配,实现目标物体稳定抓取条件下受力最小;然后,分析抓取过渡过程的振动成因,设计基于动能消耗的末端输出力控制策略实现快速振动抑制和柔顺抓取;最后,设计机械臂末端控制律切换策略,一旦在抓取过渡过程中发生接触脱离可引导其快速返回物体表面.仿真结果表明,所提出方法提升了稳定抓取安全裕度,显著降低了机械臂末端的振动幅值、持续时间和接触力,提升了空间机器人多臂抓取目标操作的稳定性和柔顺性.     

基于改进蚁群算法的机器人轨迹规划

为优化机器人末端执行器的工作轨迹,提高工作效率,减少能量损耗,建立了以运动时间和路径最短、冲击最小为目标的优化模型。在传统蚁群算法的基础上,引入带方向信息的全局启发因子来提高最优路径的搜索效率,并利用蚂蚁的死亡机制和惩罚函数来避免遇到陷阱时形成的路径死锁情况。测试结果表明,改进后的蚁群算法收敛速度更快,能够在较短时间内规划出满足条件的最优路径。     

基于解析法和遗传算法的机械手运动学逆解

研究优化机械手轨迹规划问题,机械手运动时要具有稳定性避障性能。针对平面3自由度冗余机械手优化控制问题,建立机械手的结构模型。提出用解析法和遗传算法相结合满足具有计算量小和适应性强的特点。在给定机械手末端执行器的运动轨迹,按着机械手冗余自由度,运动轨迹上每个点对应的关节角有无穷多个解。而通过算法可以找到一组最优的关节角,可得到优化机械手运动过程中柔顺性和避障点。仿真结果表明,该算法可以快速收敛到全局最优解,可用于计算冗余机械手运动学逆解,并可实现机器人的轨迹规划和避障优化控制。     

基于hp自适应伪谱法的空间机器人路径规划

针对空间机器人运动过程中基座姿态产生较大扰动的问题,基于hp自适应高斯伪谱法提出了一种以基座所受反作用力矩最小为目标函数的空间机器人路径规划方法.首先,综合考虑空间机器人运动过程中存在的关节角度约束、关节角速度约束、控制力矩约束及初始状态和终端状态约束等约束条件,将空间机器人路径规划问题看成满足一系列约束条件和边界条件并实现特定性能指标最优的最优控制问题.其次,结合hp自适应高斯伪谱法（hp-AGPM）与非线性规划技术,求解带有边界约束和路径约束的优化控制问题,得到满足约束且性能指标最优的空间机器人运动轨迹.最后,以平面2自由度空间机械臂为例对所设计方法进行仿真验证,并与其他伪谱法进行对比分析.仿真结果表明：本文算法能在10.6 s的时间内规划出满足各约束条件且容许偏差低于10^-6的最优运动轨迹,并且在计算速度和配点数量上都优于其他伪谱法.     

关节型机器人的似人操作构型规划

对关节型机器人的操作构型进行规划时,本文提出了一种新的规划方法,它结合了似人评估准则和机器人传速特性优化的概念,可实现有最大末端传速特性的操作,同时与人类手臂操作的特点最为相似.该方法首先利用应用人体工程学中的快速上肢评价准则(RULA)对机器人的操作空间进行划分,然后在各子空间内最大化机器人末端沿指定方向的传速速率.最终选定一个最符合人类操作特性又同时满足操作任务的机器人操作构型.通过在2自由度平面机器人和7自由度拟人机械臂上的规划实验进一步展示了本方法的使用,规划结果验证了其有效性.     

面向铣削任务的工业机器人刚度位姿优化

为提高机器人刚度性能,减小铣削加工误差,对搭载铣削执行器的6自由度机器人进行刚度优化.首先,运用虚功原理建立机器人刚度映射模型;其次,设计辨识实验获取关节刚度;再次,以铣削力椭圆平面的各向同性度为优化指标,运用遗传算法对机器人优化位姿进行求解;最后,对比分析机器人位姿优化前后的整体刚度,并进行机器人铣削试验验证位姿优化的有效性,铣削平面度可提升45％.该优化方法可指导串联型工业机器人对大型航天器舱体的铣削加工任务,提高加工质量.