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。     

码垛机械手运动学分析

以自行研制的码垛机械手为分析对象,运用D-H法建立机械手的运动学数学模型,进行正、逆向运动学分析,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;最后根据机械手末端速度与关节变量速度之间关系分析,得出机械手的雅可比矩阵和逆雅可比矩阵.     

六自由度机械臂运动学及奇异性仿真分析

针对六自由度串联机械臂的运动问题,对机械臂运动学数学模型、末端位置误差、机械臂奇异形位等方面进行了研究。针对机械臂的运动学模型问题,基于D-H法建立了机械臂的正逆运动学模型,并利用Matlab建立了运动学模型的仿真验证程序;利用该模型,通过给定关节转角误差,对机械臂末端位置误差的敏感方向进行了仿真分析;通过推导其末端雅可比矩阵,分析了机械臂在工作空间内的奇异形位。研究结果表明:机械臂运动学模型结果与实际结果误差很小,验证了运动学模型是正确的,并且机械臂存在两个极限位置奇异。     

移动蛇形机械臂空间路径跟踪策略研究

移动蛇形机械臂具有结构细长和多自由度的特点,其运动学逆解不唯一且计算量大成为研究的难点之一。针对某14自由度的移动蛇形机械臂,采用几何推导法设计了基于末端跟随算法的运动控制策略,实现了机械臂末端的精确位置跟踪,避免使用复杂的逆运动学算法进行求解。该策略考虑了机械臂关节角度和基座移动距离的约束,保证在无约束时机械臂各关节都处在前一时刻的关节轴线上,从而缩小机械臂的位形偏移量,使机械臂的运动更加平滑。通过三维空间轨迹跟踪数值仿真,验证了算法的有效性。通过计算效率和运动幅度,对比该策略与基于雅可比矩阵的数值优化法、人工智能优化算法的性能,说明了该策略的适用性。     

基于Matlab与ADAMS的机械臂运动学建模与仿真

为实现机械臂在工作过程中的自动化,以及提高机械臂在实际应用中的定位精度,基于修正后的D-H法对机械臂进行了运动学正解理论推导,进而求解出机械臂的雅可比矩阵。分别通过Matlab理论计算与ADAMS虚拟样机仿真得到机构末端的位移变化曲线,验证了所建运动学理论模型的正确性。该研究不仅为机械臂的自动化设计和精确定位提供了理论指导,也为机械臂的受力分析提供了参考。     

双臂协调机器人相对动力学建模

双臂机器人动力学建模是研究双臂协调运动的关键技术,难点在于同一系统中建立两机械臂之间联系。针对双臂协调机器人动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立了两臂动力学模型一般形式,运用矢量解析法求解单臂角速度雅可比矩阵,然后结合虚位移原理,基于相对雅可比矩阵建立双臂协调机器人相对动力学模型,确立两机械臂末端相对作用力与关节参数之间关系。仿真和试验结果验证了矢量解析法与相对动力学模型的正确性,该模型能够求解两机械臂末端相对力,为分析双臂协调运动提供理论依据。     

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.     

基于雅可比矩阵条件数的并联机构参数优化

提出一种基于并联机构雅可比矩阵条件数全域参数优化方法。以并联机构6-pss为研究对象,根据机构的结构形式推导出机构的速度数学模型、建立雅可比矩阵,并用范数的形式建立雅可比矩阵条件数的数学模型;对并联机构进行参数归一化处理后,以条件数的平均值与波动值的综合值作为目标建立目标函数、给出约束条件,最后通过数值计算得到机构雅可比矩阵条件数的平均值、波动值曲线和优化目标函数值的曲线图,优化出最佳参数值,为该机构尺寸优化提供重要依据。     

一种零空间避障的机械臂末端轨迹跟踪算法

针对传统的零空间避障方法无法根据障碍物距离提前采取避障行为同时保证末端跟踪精度的问题,提出一种零空间避障的机械臂末端轨迹跟踪算法.该方法采用伪距离代替欧氏距离作为距离接近度指标解决零空间避障问题,同时设计一种自适应正定系数矩阵K和速度误差饱和函数sat(e),将实时轨迹运行结果反馈给冗余机械臂运动学反解,根据反馈结果自适应调节关节角速度以减小末端轨迹跟踪误差.采用iiwa14机械臂进行仿真实验,仿真的结果表明,所提出的算法能够在完成冗余机械臂零空间避障的同时保证末端轨迹跟踪误差在1 cm以下,验证了所提算法的有效性和优越性.     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

冗余度机械臂零初始关节速度的运动规划方案研究

对一种基于伪逆的冗余度机械臂的运动规划方案进行研究。首先,根据机械臂结构和末端运动规划问题,建立速度层的运动学伪逆算法求解模型。其次,通过在关节速度上加约束,可实现关节速度从零开始平滑变化,并能快速趋近其最小范数解。再次,利用了位置误差补偿方法改善了运动学方程,有效消除或减小机械臂执行任务期间末端执行器的位置误差,保证轨迹跟踪的精度。最后,利用MATLAB软件对平面四连杆机械臂跟踪圆形和螺旋线曲线轨迹进行了仿真实验。仿真结果表明,该运动规划方案具有指数收敛性质,运动误差能达到较高的精度等级。     

冗余机械臂的加权广义逆避障算法研究

针对冗余机械臂末端轨迹跟踪与避障运动冲突的情况,提出一种基于加权广义逆的避障方法。该方法对机械臂与障碍物之间危险程度评估的评价函数-危险场进行改进,将危险程度评估得到的危险场的值,反馈给修改后的冗余机械臂闭环逆运动学算法,以实现避障,同时对雅可比矩阵和梯度项加权处理来避关节极限。为保证避障效率,对闭环控制参数进行优化设计。根据危险场的值与预先设定的阈值之间的大小关系,机械臂在避障过程中具有任务中断和恢复能力。最后利用Robotics Toolbox for MATLAB工具箱进行数值仿真,验证提出方法的有效性。     

搬运机械臂的初始加速度和速度连续运动规划研究

工业机械臂在执行搬运任务时可能会出现初始关节加速度和速度跳变的情况,这会影响机械臂电机的使用寿命,并使搬运的物品受到较大的冲击力,从而造成物品的损坏。针对该情况,设计了一种基于伪逆的机械臂初始加速度和速度连续运动规划方案。首先,根据机械臂关节角状态和末端执行器运动状态,对机械臂在加速度层以及速度层上建立伪逆算法求解模型。其次,为实现关节加速度和速度从0开始连续变化,在关节加速度及速度上引入约束函数进行调整。再次,为减少机械臂末端执行器在任务执行期间出现的位置误差,采用误差补偿方法以保证轨迹跟踪的精度。最后,在MATLAB软件上针对平面三连杆机械臂以及冗余度机械臂PA10进行了运动规划仿真实验。仿真结果表明,该运动规划方案能消除机械臂初始关节加速度和速度跳变,且末端执行器跟踪轨迹能达到较高的精度。     

基于伪逆的冗余度机械臂关节速度约束方案

针对冗余度机械臂逆运动学求解结果可能超出机械臂物理限制的问题,提出两种基于伪逆算法的冗余度机械臂关节速度约束方案。首先,根据冗余度机械臂末端执行器的跟踪任务,运用伪逆算法在速度层上进行冗余度解析。其次,分别利用设计的两种约束方案对指定的关节速度进行限制与压缩,获得新的速度解并用以执行指定的轨迹跟踪任务。接着,针对末端执行器出现的位置误差,设计误差补偿函数以保证跟踪任务的顺利执行。最后,利用MATLAB软件对六自由度机械臂进行了运动规划仿真实验,并利用Arduino平台对六自由度机械臂进行算法实验验证。实验结果表明,两种约束方案下机械臂的最大跟踪误差均不超过3×10^-4 m,且时变函数约束方案在限制关节速度时获得更好的速度平稳性。     

Brokk60机器人机械臂的动力学建模与仿真

通过分析Brokk60机器人机械臂上各个铰链之间以及铰链与机械臂之间的位置关系,建立公共坐标系和机械臂上的连体坐标系,推导出机械臂的雅可比矩阵。对各个铰链之间的受力关系进行分析研究,结合液压缸活塞上力平衡方程,以笛卡尔坐标系为基础建立该机器人的动力学模型。同时还利用ADAMS软件对机械臂在匀速和变加速两种状况下的运动进行仿真分析,得出机械臂各关节铰的受力、力矩以及各质心加速度情况,并以此绘制出曲线图。     

柔性关节机械臂轨迹规划及振动抑制研究

针对工业机器人多自由度复杂机械臂系统,对其建立多刚体运动学模型,仿真验证末端运动轨迹的真确性。在此基础上,对机械臂系统的末端关节进行柔性化处理,添加随机柔性扰动,得到刚柔耦合机械臂较为真实的末端轨迹曲线。提出了基于混沌粒子群优化算法(CPSO)的振动抑制方案,通过CPSO算法对机械臂末端轨迹的插值参数进行优化,定义了柔性末端的振动变形最小的目标函数,并给出了具体的求解步骤。数值仿真结果表明,在满足系统约束条件的情况下,机械臂运行平稳,不存在角速度突变的情况,相比于基本粒子群优化算法,CPSO算法保证了粒子群体的随机性,提高了群体的多样性,且收敛速度较快,不会陷入局部最优,在CPSO优化下的柔性末端轨迹振动明显减小,从而说明CPSO算法能够有效优化轨迹规划参数,减小机械臂柔性末端的振动变形。     

带双目视觉的SCARA机械臂运动学分析及轨迹规划

为了解决SCARA机械臂因目标位姿变化而引起抓取任务失败问题,给出了一种基于机器视觉目标检测与定位的机械臂控制方法。通过双目相机成像模型实现坐标系之间的转换,利用计算机视觉识别及三维匹配方法,达到对目标物体定位的目的,从而确定机械臂末端执行器的期望位置。结合使用D-H参数法建立机械臂的运动学模型,通过运动学方程的逆解,得到末端执行器到达期望位置时机械臂各驱动关节的变量参数,然后对其进行轨迹规划仿真,得到了连续且平滑的各关节位移、速度、加速度变化规律曲线,同时使用SCARA机械臂进行装配实验。实验结果表明该系统能够准确、稳定地把物体放到目标位置,完成装配任务,从而为开发机械臂运动控制系统提供重要的参考。     

机场嵌入式灯具自动拆装装置的设计及轨迹分析

机场嵌入式灯具是保证机场运行安全与运行效率的重要设备,现今对于灯具的拆装只能通过纯人工方式,耗时费力且影响机场地面保障作业效率。对嵌入式灯具自动拆装装置进行结构设计,并在机器人学基础上对装置机械臂结构进行运动学分析,得到运动学正解、逆解与雅可比矩阵;运用虚拟样机技术对机械臂收起过程进行了动态仿真;应用MATLAB绘制了机械臂末端理论轨迹曲线与仿真轨迹曲线,并对二者进行分析,表明运算结果正确、装置结构合理。应用蒙特卡洛法进行装置的工作空间分析,绘制末端机构工作空间点云图,表明装置在工作空间内无结构碰撞,可完成作业任务。     

有限空间约束机械臂动力学协同仿真方法研究

针对多自由度注塑机械臂系统在有限空间约束条件下作高效两点重复运动需求,提出了一种基于结构动力学和控制系统运动学协同仿真的机械臂轨迹规划与优化方法。运用结构表达式驱动和link函数分别建立机械臂的结构模型和D-H模型,根据机械臂的初始位置和终止位置,对机械臂进行轨迹规划逆向运动求解,获取初始轨迹曲线和各关节角度变化曲线,将NX接口的全部操作编译成独立的M函数嵌入到MATLAB/Simulink模块的动态系统仿真模型中进行轨迹曲线的拟合。得到在有限空间约束的条件下轨迹连续,关节平滑,末端运动时间较短,满足实际需求的一条理想轨迹。