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.     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

基于主从任务转化的冗余度机器人避障算法

在冗余度机器人的避障规划问题中,当障碍影响机器人末端运动时,避障运动和机器人的末端轨迹跟踪运动会发生相互冲突.针对这个问题,提出了基于主从任务转化的避障算法.该方法将避障运动的操作空间定义为1维的运动空间,引入了2个转换变量,可以根据得到的实时最小距离的变化,实现机器人末端的轨迹跟踪运动和避障运动之间光滑连续的优先级转换.最后,通过对一个3自由度平面机器人的仿真实验,对算法的正确性进行了验证.结果表明,机器人与障碍物的最近距离大于0.02m,并且机器人末端可以准确地到达目标位置.所提出的方法不仅能实现冗余度机器人的避障,而且能防止任务之间的冲突.     

关节联动的单孔手术机器人运动解耦方法

针对单孔腔镜手术机器人的执行器械从驱动空间至操作空间的强运动耦合问题,研究关节联动构型,实现运动解耦,简化运动学模型．首先分析联动构型的运动特性并设计滚轮约束式铰接关节．继而研发了7自由度的联动构型器械,它可实现2自由度的“联动展开”．建立了D-H（Denavit-Hartenberg）模型,分析联动构型器械的位姿分离,并通过解析法直接求解逆运动学．然后基于立体角度量手术器械末端在给定点的灵活度,优化联动构型器械的远端段关节布置．实验表明,联动构型器械末端的姿态只取决于远端段关节,“联动展开”只改变器械末端的位置．驱动空间至关节空间的最大误差小于3°,近端段与远端段的驱动之间互不干扰．     

连续体单孔手术机器人的建模与优化分析

提出了一种新构型的6自由度连续体单孔手术机器人.其形变骨架采用超弹性材料一体化成型加工,具有一系列十字交叉镂空结构的弹性铰链.建立了机器人的运动学模型,分析了机器人的可达工作空间,提出一种手术作业空间的优化搜索方法,获得了作业空间中关键位置的操作灵活性.进而以操作灵活性为目标,以关节形变能力为约束,优化分析连续体机构形变骨架的几何参数,形成提升连续体单孔手术机器人操作灵活性的参数优化方法.最后进行连续体机器人的运动控制实验,经过测试,机器人的末端位置误差为2.23 mm,角度误差为2.06°,验证了模型的准确性.     

脊柱手术机器人

针对脊柱手术中的椎弓根钉内固定术,为克服医生操作手术时定位精度难以保证、长时间手术易疲劳等问题,设计了一套脊柱手术机器人系统用于辅助实施椎弓根钉内固定术。机器人为5自由度,充分考虑手术机器人对安全性和工作空间有效覆盖的要求,进行了构型设计,并完成了相应的机器人运动学分析。控制系统是由图像导航下的主动控制和基于力传感器的被动拖拽控制两个模式进行控制。主动控制下,医生通过导航系统提供最优钉道的精确位置信息,机器人根据医生的规划路径自主到达手术点;被动力拖拽控制基于导纳控制原理对医生作用在机器人末端执行器的操作力进行映射,并以此形成跟随拖动动作的机器人运动控制指令。针对力拖拽控制的实验验证了机器人在被动拖拽控制模式下能够柔顺地跟踪医生的操作动作。     

一种类球面并联腕部机构及其运动学分析

采用构型演变法将2自由度球面并联机构Omni-Wrist V演变为一种3自由度2R1T(2转动1移动)的类球面并联机构,并对其运动学特性进行了系统的分析.首先,采用基于约束理论的图谱法对该机构的自由度进行了分析;其次,建立了其等效运动学模型,推导了解析形式的正、逆运动学方程,并讨论了其奇异性;最后,采用蒙特卡洛法求得机构的工作空间,并提出一种3维切片法分析其特性.在工作空间分析中,选择水平切片的面积和形状来衡量机构的旋转性能,采用定偏转角切片形成的扇形片径向位移量来表征其平移性能.该并联机构可作为腕部串接于SCARA(选择顺应性装配机械手)或Delta机器人末端,组成混联机器人,应用于需要同时大转角改变姿态和位置的电子或轻工生产等场合.     

基于空间几何方法的乒乓球机器人最优姿态求取

首先分析了仿人机器人手臂的空间几何构型,特别是针对在给定任务下末端执行器的姿态约束不完整的情况.并在此基础上,以机器人手臂的整体动能最小为目标,优化球拍绕其法线方向的旋转角.同时从整个机器人手臂动能的方面对机器人手臂的末端执行器姿态进行优化分析,并确定最优条件,即手臂所构成的平面与球拍运动速度向量所形成的平面互相垂直,然后根据最优条件及各连杆间的关系建立方程,求解出最优的末端姿态角,以减少机器人手臂运动所引起的振动.最后,通过仿真结果从动能求取和轨迹规划等方面验证了提出的方法的有效性.     

多个地面移动机器人建立构型空间

研究多机器人系统运动规划问题,经典的构型空间(C-space)通常用于静态障碍物并且机器人有环境全局知识的假设下.有局部传感能力的多机器人系统(MRS)不具备全局规划性能.针对上述问题,要求MRS建立C-space功能,采用环境和机器人的模型建立多边形集合,每个机器人都是自主地面移动机器人.机器人的传感范围是有限的,并能互相通讯.一种分散式的算法被提出来解决两个机器人探索环境并建立构型空间障碍的任务,两个机器人定期的交换和合并对方产生的部分构型空间障碍,直到整个构型空间障碍建立.算法类似于同时绘图与定位(CML),采用产生和合并C-space的算法进行仿真,结果表明了算法的有效性.     

Strategy of approach for seizure of an assistive mobile manipulator

In assistive robotics, a manipulator arm constitutes one possible solution for restoring some manipulation functions to victims of upper limb disabilities. The aim of this paper is to present a global strategy of approach of an assistive mobile manipulator (manipulator arm mounted on a mobile base). A manipulability criterion is defined to deal with the redundancy of the system. The aim is to keep the arm manipulable, i.e. capable of moving by itself. The strategy is based on human-like behaviour to help the disabled operator to understand the action of the robot. When the robot is far from its objective, only the mobile base moves, thus avoiding obstacles if necessary. When the objective is close to the robot, both mobile base and arm move and redundancy can be used to maximise a manipulability criterion. All the situations are tested separately and a global mission is realised in which all the previous situations are encountered. The partial results obtained with the real robot consolidate the results of simulation. This paper does not propose an autonomous path planning and navigation of the mobile arm but an assistance to the user for remote controlling it.     

在线考虑运动学限制的最小加速度的轨迹规划

提出了一种基于简化运动规划的机器人轨迹规划新方法,可用于多自由度的机器人操作臂系统。关键问题是找到最小加速度的轨迹规划,来优化操作臂的运动以减少抖动。此外,给出了轨迹规划的解存在的充分必要条件,并考虑了所有的关节位置、角速度、加速度、加加速度等运动学限制。而且这种方法能够在线应用,适合任意非零的关节初始状态和目标状态,以便使机器人能够在运动过程中进行实时路径修正。最后提出的方法应用于一个七自由度的仿人机器人手臂来验证方法的有效性。     

基于机器视觉的目标定位与机器人规划系统研究

为完成机械臂在非特定复杂背景环境下的自主抓取,通过设计RGB-D相机对场景内的物体进行实时检测,采用基于深度学习的目标检测定位方法,并对相机-机械臂-目标物体的三维标定模型进行研究。将物体的三维坐标信息通过ROS话题机制发送给机械臂,并通过moveIT编程规划抓取规划。 通过设计一套基于ROS的视觉检测和机械臂抓取系统,将计算机视觉检测技术以及机械臂运动规划抓取应用在机器人操作系统ROS平台上。实验结果表明,该系统可以实时高效地操作机器人来完成指定的控制作业,提高了系统对环境的适应能力,该系统具有抓取准确、物体识别准确率高的特点,解决了传统机械臂操控中的不足。     

快速连续反应-避障作业环境下的七自由度灵巧臂轨迹规划

人类经长期学习训练后能对高速物体 (如棒球、乒乓球等)具有快速连续反应作业的运动技能, 从深层次上揭示是由于人体在其训练过程中不断学习优选了相应手臂的动作轨迹, 并储存了丰富的经验和知识. 受人体手臂动作此行为机制启发, 本文提出一种 7-DOF灵巧臂快速连续反应-避障作业的轨迹规划方法. 该方法将灵巧臂对高速物体目标作业的轨迹规划问题转化为动作轨迹参数化优选问题, 考虑作业过程中灵巧臂的机构物理约束和障碍约束条件, 以灵巧臂目标可作业度指标构建适应度函数, 采用粒子群优化 (Particle swarm optimization, PSO)方法优选作业轨迹中的冗余参数; 在此基础上 利用灵巧臂动作轨迹参数化优选方法构建相应作业环境下的知识数据库, 实现灵巧臂对高速物体目标的快速连续反应作业. 以仿人机器人乒乓球对弈作业为例, 将该方法应用于 7-DOF灵巧臂乒乓球作业的轨迹规划中. 数值实验及实际对弈试验结果表明, 该方法不仅能使灵巧臂所规划的轨迹 满足灵巧臂机构物理约束与障碍约束条件, 同时能实现灵巧臂对乒乓球体的快速连续反应作业, 验证了该方法的有效性.     

机器人的CP-nets优化类人轨迹规划

机器人移动轨迹按照人的手臂来模拟是提高机器人安全性和人机交互能力的有效方法,特别是针对机器人抓取路径不唯一的场合,类人行为对于人机系统表现更加自然。此前,通常利用Kinect等设备,基于人工神经网络和K近邻算法等智能算法对类人轨迹进行规划,但无法获得未采样过的最优轨迹。本文基于CP-nets采用偏好模型研究类人运动轨迹,然后将该模型应用于机器人控制,在没有采样的情况下,也可得到最优的类人轨迹。实验结果表明,基于CP-nets 的类人规划轨迹具有较高的效率和舒适性,符合人的运动特征。     

Robot motion control in zero-gravity conditions

We have considered the motion control of a space robot composed of a body and a telescopic manipulator arm. The robot is in the state of free passive flight. The vector of the number of movements and the kinetic moment of the robot relative to the center of mass are zero. The manipulator arm motion causes a corresponding motion of the robot body (change in the position of the center of mass of the body and its rotation). Unlike earlier results, we have revealed that the robot grip can be shifted from an arbitrary initial position to an arbitrary final position inside the operating area and, in addition, the required (most convenient for operations) angle between the manipulator arm and the robot body in the final position can be obtained.     

基于ROS的六自由度机械臂运动规划

针对传统机器人在复杂环境下的安全问题以及运动规划问题,采用开源机器人操作系统ROS搭建了机器人仿真平台,并进行运动规划。在ROS平台下,利用URDF文件完成机械臂3D建模;利用Movelt配置助手(setup assistant)配置机械臂模型并且生成启动文件。在Rviz中显示三维模型;利用Movelt完成对六自由度机械臂的运动规划,以及避障轨迹规划。结果表明,通过Rqt_plot导出机械臂运动过程中六个关节的位置关系信息,可为进一步改善和研究机械臂轨迹规划提供更加直观的方法。     

基于分级规划策略的拟人机械臂仿人运动规划算法研究

为使拟人机械臂具有高精度的仿人运动,提出一种通过触发条件和分级规划策略 的仿人运动新方法。将人臂运动过程离散为不同运动阶段,在每一个运动阶段都有与之对应的 规划层,在不同的规划层中,拟人机械臂的运动特点不同。利用各自的特点建立不同规划层下 的运动模型及臂姿预测指标,对拟人机械臂臂姿进行预测。最后,以NAO 机器人为实验平台, 比较所提方法与最小势能法(MTPE)的静态臂姿与动态臂姿预测,并与运动捕捉系统(OptiTrack) 采集的真实人臂运动数据进行比较。实验表明,该方法具有较小的静态臂姿和动态臂姿预测误 差,能使拟人机械臂产生高度逼真的仿人运动。     

机械手三维操作空间建立与路径规划

针对传统路径规划算法在机械手路径规划中未考虑机械臂干涉、搜索效率低、路径不合理等问题,在建立了机械手空间模型,采用二次投影法分析和计算机械手操作空间的基础上,将障碍模型和操作空间栅格化,并提出了改进的遗传算法。在遗传算法的设计中,使用实数编码和三维坐标编码相结合的编码方式将栅格进行编码,改进交叉算子,定义最小基因交叉片段数量比,提高了搜索效率,简化了计算过程。通过Matlab建立了机械手仿真模型,验证了算法的有效性,且在实验条件和实验对象等各项参数相同的情况下,相对于传统路径规划算法,搜索效率,最优路径比等得到明显提升。