用于丝驱动连续体机器人的实用运动学研究

针对单段及多段连续体机器人运动学问题,提出分段常曲率与粒子群算法相结合的完整正逆运动学分析方法.以双段丝驱动连续体机器人为研究对象,首先设计含平移段的机器人样机;然后利用分段常曲率方法建立驱动空间与关节空间的相互映射,根据齐次变换得到关节空间至工作空间的正映射关系;最后利用线性递减权重粒子群算法实现工作空间至关节空间的逆映射.对双段连续体机器人的运动学进行仿真及逆运动学求解耗时测试,并在研制样机上进行了实验验证.仿真结果说明了所提运动学研究方法的合理性及逆运动学求解的快速性,实验结果显示位置平均误差小于双段连续体机器人本体长度的6.22％,验证了所提运动学的有效性.     

工业码垛机器人运动学仿真

码垛机器人的运动学分析是实现码垛控制的前提和基础.针对码垛机器人的结构特点,运用空间几何方法对码垛机器人的运动学特性进行理论分析,建立驱动关节与末端执行器的映射关系.利用INVENTOR和ADAMS软件建立了码垛机器人参数化虚拟样机模型,进行运动学仿真.同时,对码垛机器人码垛轨迹仿真优化.实验结果证明,新型工业码垛机器人具有良好的运动学特性,符合现代码垛作业的要求.新提出的机器人仿真分析方法,对进一步提高码垛机器人技术的设计水平,具有促进和借鉴作用.     

钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

通过研究分析一类[N+1]条钢丝绳驱动[N]个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。     

基于可变关节数的模块化两栖仿生机器人转弯控制

概述了一种具有模块化结构的两栖仿生机器人设计,结合其关节数可变和主从轮式驱动的特点,给出 了任意关节数偏转转弯的地面转弯控制方法,并推导了其最小转弯半径．针对多关节两栖机器人的转弯推进方式, 利用ADAMS 下的运动学模型进行了仿真验证,给出了相应的仿真结果．同时,平衡性分析进一步表明了关节转弯 推进方式在当前两栖机器人样机上的适用性．实验结果表明了该转弯方法的有效性,它能够满足机器人的地面运动 需求．     

基于余弦振荡器的四足机器人步态生成与仿真

为实现四足机器人的稳定运动,基于四足机器人对角步态的几何模型,建立余弦振荡器,生成节律运动的上层架构以及上、下层之间的关节映射,得到完整的步态生成策略,并建立四种关节配置形式的机器人虚拟样机模型,进行运动学和动力学仿真.仿真结果表明,基于余弦振荡器的步态生成方法能够满足各种关节配置形式的机器人步态要求,验证了步态生成方法的正确性和普遍适用性,且根据机体波动率的比较,确定前肘后膝式具有更好的稳定性.     

双足机器人NAO爬楼步态规划

双足机器人的爬楼梯性能是衡量其在复杂环境下行走能力的一项重要指标.本文针对双足机器人NAO爬楼梯步态规划问题,提出一种离线步态规划方法：基于几何法建立机器人爬楼梯逆运动学模型;将运动解耦为前向运动和侧向运动,对于起步、中步和止步三个阶段,采用加速度空间法和几何约束规划法,计算各关节运动轨迹,并基于其逆运动学模型,得到各关节角序列;分别基于NAOSim和NAO进行虚拟样机仿真实验和实物样机验证.实验结果表明,步态规划方法合理有效.     

考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂“驱动绳索长度－关节角度－末端位姿”的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响,改进“驱动绳索长度－关节角”的映射模型。其次,设计试验平台,开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后,对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明,长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm;末端绝对位置误差减小61.4%,证明了改进运动学模型的有效性。     

3-RRRT并联机器人位置正向求解研究

研究一种3-RRRT型并联机器人机构的运动学正向求解方法。根据3-RRRT型并联机器人机构特点以及关节运动的取值范围,提出了以并联机器人支链中支杆的方向余弦和动平台绝对位置坐标为系统的广义坐标的方法,并详细地推导了3-RRRT型并联机器人运动学模型,通过进一步消除中间变量的方法最终获得了易于正、逆运动学求解的只包含3个驱动关节坐标与动平台3个绝对位置坐标的约束方程组。最后,运用基于Moore—Penwse广义逆的牛顿迭代格式编制了MATLAB运动学正向求解程序,并进行了运动学正向求解数值仿真,结果表明求解程序快速有效。     

冗余驱动仿壁虎机器人运动学分析与仿真

研究仿壁虎机器人处于多足吸附支撑状态时,出现冗余驱动问题,机器人驱动难度较大,为协调机器人各关节运动和姿态控制,讨论了一种冗余驱动的仿壁虎四足机器人的自然约束条件,推导了机器人三足吸附状态时冗余驱动变量与独立驱动变量的位置和速度关系,建立了机器人机体正运动学方程,同时建立了机器人的逆运动学方程,用来验证正运动学方程的正确性.机器人正运动学方程是一个高次方程,有16组解,数字仿真结果表明只有一组解满足实际模型要求.逆运动学分析结果及仿真结果验证了正运动学的正确性.     

仿青蛙游动机器人机构设计

为研制仿青蛙游动机器人,设计了游动机器人机构.首先通过分析生物青蛙结构,设计仿青蛙机器人的原理样机.选择气动肌肉作为驱动器,分别驱动髋、膝、踝关节的转动,并采用钢丝传动结构,将膝关节气动肌肉安装在躯干上,从而有效减小了腿部的质量.建立了机器人系统的运动学模型并进行机器人运动学分析.分析了青蛙游动过程中的水下受力,并将水的作用力引入ADAMS仿真环境中,模拟了青蛙游动中的水环境,从而进行动力学仿真分析.最后对所研制出的仿青蛙游动机器人进行水下游动实验,其推进阶段平均速度达到339 mm/s.通过对比分析发现在动力学仿真和样机实验两种不同方法下机器人后肢运动形式基本一致,从而验证了仿青蛙游动机器人原理样机设计的可行性.     

关节型机器人运动学仿真及控制系统设计

关节型机器人各运动关节动态特性和控制系统的稳定性直接影响机器人以及轨迹规划的可达性.以IRB140关节型机器人为研究对象,依据标准D-H参数法和空间位姿变换理论推导出机器人正向运动学数学模型,并采用机器人逆运动学和改进后的五次多项式插值算法实现了机器人在关节空间下进行轨迹规划时各运动关节速度和加速度过渡平滑的目的.最后...     

小型智能涂胶机器人建模与控制系统设计

为使涂胶机器人可涂任意鞋底轨迹,提出带摄像头的智能涂胶机器人.设计机构模型,利用齐次变换矩阵建立运动学模型,并进行Simulink运动仿真.控制器采用2层递阶的DSP加PC机结构,USB摄像头捕获鞋底图像,VC++实现边缘提取,并通过坐标变换得到机器人关节轨迹.DSP直流无刷电机控制器采用增量PID闭环控制算法.在自主...     

结合MPGA-RBFNN的一般机器人逆运动学求解

针对一般机器人逆运动学求解过程中存在的求解速度慢、精度低的问题，将多种群遗传算法（multiple population genetic algorithm，MPGA）引入径向基函数神经网络（radial basis functions neural network，RBFNN），提出一种适用于一般机器人的高精度MPGA-RBFNN算法。该算法采用3层结构的RBFNN进行一般机器人逆运动学求解，结合一般机器人的正运动学模型，采用MPGA优化RBFNN的网络结构和连接权值的方法，同时应用混合编码和演化的方式，实现了从机器人工作空间位姿到关节角度的非线性映射，从而避免了复杂的公式推导并提高了求解速度。采用6R一般机器人作为实验平台进行实验，实验结果表明:MPGA-RBFNN算法不仅提高了一般机器人在逆运动学中的求解速度，而且MPGA-RBFNN算法的训练成功率和逆解的计算准确率也得到了提高。     

Real-time humanoid whole-body remote control framework for imitating human motion based on kinematic mapping and motion constraints

In this paper, we propose a whole-body remote control framework that enables a robot to imitate human motion efficiently. The framework is divided into kinematic mapping and quadratic programming based whole-body inverse kinematics. In the kinematic mapping, the human motion obtained through a data acquisition device is transformed into a reference motion that is suitable for the robot to follow. To address differences in the kinematic configuration and dynamic properties of the robot and human, quadratic programming is used to calculate the joint angles of the robot considering self-collision, joint limits, and dynamic stability. To address dynamic stability, we use constraints based on the divergent component of motion and zero moment point in the linear inverted pendulum model. Simulation using Choreonoid and a locomotion experiment using the HUBO2+ demonstrate the performance of the proposed framework. The proposed framework has the potential to reduce the preview time or offline task computation time found in previous approaches and hence improve the similarity of human and robot motion while maintaining stability.     

仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制

为了解决真空吸附爬壁机器人爬行时,需要吸盘和壁面紧密贴合,不易操控的问题。建立了吸盘足至壁面的空间几何模型;基于D-H参数,建立了运动学模型,根据速度运动学逆解,设计了一种用于对称机构爬壁机器人的摇杆操作方法,将摇杆轴映射为关节速度闭环;根据位置运动学逆解,设计了自适应吸附动作,吸盘足与壁面距离小于设定阈值时,自动触发自适应吸附动作;搭建了机器人控制系统和自适应吸附装置,在水平壁面上进行爬行实验,验证了该方法可减小操控难度。     

Bionic Quadruped Robot Dynamic Gait Control Strategy Based on Twenty Degrees of Freedom

Quadruped robot dynamic gaits have much more advantages than static gaits on speed and efficiency, however high speed and efficiency calls for more complex mechanical structure and complicated control algorithm. It becomes even more challenging when the robot has more degrees of freedom. As a result, most of the present researches focused on simple robot, while the researches on dynamic gaits for complex robot with more degrees of freedom are relatively limited. The paper is focusing on the dynamic gaits control for complex robot with twenty degrees of freedom for the first time. Firstly, we build a relatively complete 3D model for quadruped robot based on spring loaded inverted pendulum (SLIP) model, analyze the inverse kinematics of the model, plan the trajectory of the swing foot and analyze the hydraulic drive. Secondly, we promote the control algorithm of one-legged to the quadruped robot based on the virtual leg and plan the state variables of pace gait and bound gait. Lastly, we realize the above two kinds of dynamic gaits in ADAMS-MATLAB joint simulation platform which testify the validity of above method.      

CMAC在仿人机器人逆运动学计算中的应用

本文采用关节角位移和末端位姿误差作为小脑模型神经网络(CMAC)的输入,根据仿人机器人的正运动学模型来调整CMAC的权值,使网络最终逼近仿人机器人的逆模型,从而得到末端位姿到各个关节角的映射关系,避免了传统解析方法面临的计算量大、解不唯一的问题。MATLAB仿真结果表明,利用CMAC对仿人机器人的逆运动学问题求解,可以保证机器人位姿较好地跟踪给定的参考轨迹,说明CMAC能够逼近仿人机器人的逆运动学模型。     

纯方位角目标跟踪及移动平台可观性控制方法

为了解决未知环境下的单目视觉移动机器人目标跟踪问题,提出了一种将目标状态估计与机器人可观性控制相结合的机器人同时定位、地图构建与目标跟踪方法。在状态估计方面,以机器人单目视觉同时定位与地图构建为基础,设计了扩展式卡尔曼滤波框架下的目标跟踪算法;在机器人可观性控制方面,设计了基于目标协方差阵更新最大化的优化控制方法。该方法能够实现机器人在单目视觉条件下对自身状态、环境状态、目标状态的同步估计以及目标跟随。仿真和原型样机实验验证了目标状态估计和机器人控制之间的耦合关系,证明了方法的准确性和有效性,结果表明:机器人将产生螺旋状机动运动轨迹,同时,目标跟踪和机器人定位精度与机器人机动能力成正比例关系。