移动机械臂无碰抓取方法的研究

提出了一种基于A*算法的移动机械臂无碰抓取方法。根据机械臂的初始姿态和目标物体的空间位置以及障碍物的约束,利用A*算法规划出机械臂末端无碰的轨迹,进而利用冗余度机械臂多解的特性,结合逆运动学,给出障碍物约束下基于最小关节角偏移量优化指标的关节角优化方法。同时,机械臂可根据当前环境的变化更新其末端轨迹,并相应调整姿态以提高适应性。仿真验证了该算法的有效性。     

串联抓取机械臂运动轨迹规划算法研究

首先根据现有的小型六自由度串联机械臂完成D-H参数表,建立机械臂的数学模型,进行机械臂运动学求解.再根据机械臂在抓取目标物体时,末端执行机构的位置和姿态,运用Matlab中的Robotics Toolbox工具箱进行逆运动学求解,得到各关节角的角度。接着在增加障碍物的约束条件下,运用A~*搜寻算法,规划出抓取目标物的运动轨迹。之后应用拉格朗日插值法将运动轨迹上的运动点,通过插值的方法优化,进一步优化A~*算法规划出的运动轨迹。最后通过实验验证,达到了预期的结果,从而验证了在A~*算法的基础上运用拉格朗日插值法,在机械臂轨迹规划上应用的可行性和合理性。     

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入动态抓取域用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。     

布谷鸟搜索算法在空间机械臂轨迹规划中的应用研究

针对自由漂浮状态下的6-DOF(degree of freedom)非完整冗余的空间机械臂系统在轨迹规划时平滑性和稳定性不足的问题,设计了一种改进布谷鸟搜索算法的轨迹规划策略。在空间机械臂一般模型的基础上建立其运动方程,根据基座姿态、机械臂关节角速度以及角加速度的约束条件构建了空间机械臂轨迹规划模型,通过改进布谷鸟搜索算法进行优化,实现轨迹规划的目标。仿真结果表明,在满足机械臂系统受限范围可使得关节的最终状态达到了期望状态,关节轨迹的平滑性得到了改善;并且能较好的克服机械臂运动对基座姿态的干扰,增强了机械臂系统运动的稳定性。     

基于末端姿态约束的液压凿岩机械臂运动控制研究

为了使凿岩机械臂末端能够保持期望初始姿态且平稳、准确地移动至目标位置，提出一种基于末端姿态约束的液压凿岩机械臂运动控制方法。首先，基于雅可比矩阵建立机械臂末端广义速度与关节速度关系；然后，分析驱动油缸结构并采用全微分方法建立机械臂关节速度与油缸伸缩速度的函数关系，从而基于末端姿态不变的约束，建立机械臂末端广义速度与油缸伸缩速度的对应关系；最终通过控制器给定相应电信号直接控制各油缸伸缩速度完成对姿态约束下凿岩机械臂末端广义速度的控制。使用MATLAB和V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform)软件分别对凿岩机械臂末端速度与关节速度关系以及三角油缸和梁摆动油缸伸缩量与关节角度对应关系进行验证，确保计算过程的正确性。通过现场实验得出数据表明：在末端姿态约束下控制凿岩机械臂保持某一期望初始姿态运动不同时间到达不同位置，凿岩机械臂末端最大姿态角偏差为0.42°,末端位置相对误差不超过0.41%,凿岩机械臂运动平稳，说明该运动控制方法可以在保证平稳运行前提下实现凿岩机械臂末端定位，从而满足工程实际需求。     

空间机械臂协调操作的容错空间与容错规划算法研究

针对两空间机械臂协调操作中发生关节坏死这类故障时的容错运动规划问题进行研究。首先给出了空间机械臂容错空间的计算方法,并构造了反映机械臂末端运动与容错空间相对位置关系的中心度指标。然后基于这一指标提出了机械臂协调操作的容错运动规划算法。该算法可以同时实现故障时刻和故障后的容错操作;最后,利用两空间4R机械臂的仿真实例证明了其有效性     

适应于水下抓取作业柔性臂的设计与试验研究

传统关节式水下作业机械臂存在作业灵活性受限、控制复杂等不足，为此，文中提出并研发了一种适应于水下作业、柔索驱动的柔性机械臂。通过采用对角线耦合轮系驱动，实现了一个电机控制两根驱动钢丝，并减少实际所需电机的数量；采用几何分析法建立了柔性臂驱动绳长、关节弯曲角度与末端位姿的运动学关系，并建立柔性臂运动学模型；采用MATLAB软件进行手臂运动仿真，得到柔性臂的仿真姿态与工作空间；通过ADAMS软件对柔性臂进行运动仿真，验证了算法的可行性，确定了手臂关节的最优尺寸。制造出实物样机，对其手臂动作灵活性、柔顺性进行测试，完成了气密性试验和水密性试验，并成功在水下环境对目标物进行抓取，验证了柔性臂机械系统结构的可靠性和可行性。该柔性臂不仅能满足水下环境抓取作业需求，还可以应用于各种受限空间、危险场景的抓取和检测作业。     

弹性霍肯连杆直线平夹自适应机器人手研制

平行夹持是机器人手重要的抓取模式,但由于其末端指段沿圆弧轨迹运动,因此,机器人手在桌面上夹持物体时需要机械臂配合升降,从而增加了其对不同尺寸物体的抓取难度。针对此问题,介绍了一种末端指段呈直线轨迹平动的直线平行夹持模式;基于该模式,提出了一种基于霍肯连杆机构实现的直线平夹自适应手指（SHKL手指）。SHKL手指利用霍肯连杆机构实现末端关节直线运动,利用同向等速的双平行四连杆机构实现末端指段相对手掌姿态固定,利用弹性关节、弹簧和限位等实现自适应抓取。理论分析与实验结果表明,SHKL手指具有直线平夹与自适应抓取功能,抓取稳定,控制容易。     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

基于几何学的臂部相邻三关节轴线平行的6自由度机械臂逆运动学算法研究

提出了一种针对肩、肘和腕3个相邻回转关节轴线始终平行的6自由度串联机械臂逆运动学问题求解方法。该方法能够在求解的第一步利用结构约束下的机械臂腕、手与末端三者的空间几何关系,确定目标末端位姿对应的腕部空间位置;从而将一个描述机械臂末端位姿和机械臂6个关节角度关系的六元方程组求解问题,转化成为分别描述机械臂腕部位置与机械臂肩、腕部共3个关节角度之间关系,以及描述机械臂末端姿态与剩余机械臂腕部3个关节角度之间关系的两个三元方程组求解问题,显著降低了6自由度机械臂逆运动学问题的求解复杂度。以UR3机械臂为试验对象,试验结果表明,该算法能够根据机械臂末端姿态求解其各关节角度,与采用UR3配套控制算法相比,采用该算法的UR3机械臂末端线性定位精度达到毫米级、角度定位精度达到1°。     

并链式非完整机械臂机构设计及运动规划

基于非完整理论,将摩擦圆盘运动分解合成机构作为关节传动部件,提出了一种新型并链式非完整机械臂,并针对这种四关节机械臂建立了运动模型,通过对其运动规律分析证明了该系统具有非完整性和可控性。并采用将这种机械臂具有的三角形数学模型链式变换的方法,在链式空间对系统进行运动规划。分析表明,该机械臂各个关节能够在规定时间内准确地运动至目标位形,实现了两个控制电机驱动四个关节运动,具有欠驱动特性,为研究轻量化、小型机械臂奠定了基础。     

机械臂全工作空间域非参数约束位姿误差估算

针对机械臂全工作空间域位姿误差估算,提出了非参数化约束的运动学误差综合解算与动态估算方法。基于误差等效微分变量和多关节运动的连杆坐标系误差等效微分变换,构建了机械臂运动学动态非参数化约束的位姿误差模型。将多因素产生末端位姿误差归结为与关节转角变量有关的周期性动态函数变化,实现了机械臂综合误差的动态函数化描述。根据多连杆坐标系关节运动耦合规律,设计了多关节运动空间坐标系位姿在线解耦变换与补偿算法。全工作空间域验证实验中,误差估算值与测量值之间的位置坐标的最大绝对值偏差小于0.01 mm,姿态角的最大绝对值偏差小于0.03°。实验结果表明,该方法可提高机械臂全工作空间域位姿误差估算的精度与可靠性。     

两种坐标空间中Delta机器人轨迹规划仿真

针对Delta并联机器人的抓取-放置操作任务,采用修正梯形轨迹规划模式,分别在直角坐标空间和关节坐标空间中进行轨迹规划,然后利用ADAMS进行仿真,分析两种轨迹规划中主动臂和末端执行器的运动轨迹随时间变化情况,以确定出较合适的一种规划方式。仿真结果表明:两种方式中机器人主动臂和末端执行器的运动轨迹随时间变化连续,机器人运行平稳,动力特性较好。但关节空间轨迹规划算法简单,易于实现,所以更适合于抓取-放置操作任务。     

融合多传感器数据的抓取机械臂末端定位研究

抓取机械臂末端定位过程中受环境干扰的影响,导致定位精度和稳定性较差,为此提出融合多传感器数据的抓取机械臂末端定位方法。首先建立融合多传感器数据的抓取机械臂末端误差模型,通过目标检测模型确定目标位置。采用遗传算法计算出抓取机械臂末端各关节的旋转变量补偿值,最后将修正值应用到融合多传感器数据的机械臂终端执行器中,完成抓取机械臂末端定位。实验结果表明,所提方法的定位耗时短、置信度高、定位精度高,具有一定的有效性。     

指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案设计

设计了一种指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案.首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,在速度层上对机械臂建立伪逆算法求解模型;其次,为实现关节速度从指定初始速度连续趋近于执行任务所期望的速度解而在关节速度上加约束函数进行调整;再次,为减少机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差而采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度;最后,将运动规划方案在MATLAB软件上对平面四连杆机械臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂在任务切换过程中的速度跳变,且末端执行器跟踪路径能达到较高的精度.     

指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案设计

设计了一种指定初始关节速度的冗余度机械臂运动规划方案.首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,在速度层上对机械臂建立伪逆算法求解模型;其次,为实现关节速度从指定初始速度连续趋近于执行任务所期望的速度解而在关节速度上加约束函数进行调整;再次,为减少机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差而采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度;最后,将运动规划方案在MATLAB软件上对平面四连杆机械臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂在任务切换过程中的速度跳变,且末端执行器跟踪路径能达到较高的精度.     

基于脊线自修正的蛇形机械臂逆运动学求解

绳索驱动的蛇形机械臂具有超冗余的运动特性,提高了自身的灵活性及避障能力。但由于机械臂存在大量的自由度,这使得其逆运动学求解变得非常复杂,导致难以实现实时运动规划。因此,文中提出了一种新型的蛇形机械臂逆运动学求解方法,通过优化脊线及关节角度求解,实现了机械臂高效和实时的运动规划。首先,搭建了蛇形机械臂运动学模型,建立了蛇形机械臂关节空间与工作空间的映射关系;之后,提出了基于多种群蚁群优化的参考脊线求解策略,并设计了移位修正法确定多任务点脊线的空间构型,减少了脊线复杂求解的计算。此外,通过考虑拟合信息和关节约束,设计了一种结合并行趋近式规则的关节优化调整方法,推导出了蛇形机械臂的关节角度,实现了关节的连续性变化。结果表明：所提出的逆运动学求解方法可以有效降低计算复杂度,保证关节角度的有效性和连续性,以及末端位姿信息的精确性。     

一种车载轮椅自动收放机械臂设计与运动分析

提出了一种用于车载轮椅自动收放的5自由度机械臂。首先,根据D-H方法建立机械臂数学模型,并进行正向及逆向运动学分析,在进行逆向运动学分析时,分别用解析法和反向传播（Back Propagation,BP）神经网络进行了求解;其次,采用五次多项式插值法对机械臂进行关节空间轨迹规划,实现机械臂的平滑无冲击运动;随后,基于蒙特卡罗法分析机械臂工作空间,得到机械臂末端的工作空间点云图;最后,针对具体车载应用场景,开展了虚拟仿真实验。仿真实验结果表明,机械臂构型设计合理,运动灵活,满足应用需求。为样机开发及应用提供了理论依据。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

面向聚变堆维护的重载机械臂CMOR运动学算法设计及仿真

CMOR是一种应用于未来聚变堆部件维护的9自由度冗余重载机械臂系统首先介绍了重载机械臂构型,利用D-H法建立冗余重载机械臂坐标系,对机械臂的正运动学和逆运动学进行求解并在Matlab完成仿真;然后基于蒙特卡罗法在Matlab中计算了机械臂的工作空间,仿真结果显示可达空间满足±45°要求;最后针对重载臂稳定运动要求,对机械臂关节空间进行规划轨迹并在Matlab中进行验证,仿真结果显示机械臂末端轨迹平滑,满足要求,为下一步的遥操作维护机械臂的轨迹规划等问题提供了理论依据,这对聚变反应装置的维护具有重要意义.