空间机械臂全局反作用优化及其地面试验研究

针对空间机械臂在运动过程中对其基座产生力／力矩反作用这一问题进行了分析,并提出一种关节轨迹参数化的全局反作用优化方法,用于减小机械臂的反作用力／力矩．基于气浮轴承方法,建立了3自由度空间机械臂反作用优化地面实验系统．最后,采用3自由度机械臂验证了该方法的有效性．     

基于卷积神经网络的机械臂抓取控制系统设计

为保证机械臂的抓取精度,保证物体抓取的稳定性,本文设计基于卷积神经网络的机械臂抓取控制系统。在系统硬件部分,加设图像、位置和压力传感器,改装机械臂抓取控制器和运动驱动器,利用图像传感器设备,获取满足质量要求的机械臂抓取目标图像,为机械臂抓取控制功能提供硬件支持。软件部分利用卷积神经网络算法提取图像特征,确定机械臂抓取目标位置。结合机械臂当前位置的检测结果,规划机械臂抓取路线,预估机械臂抓取角度与抓取力。最终通过机械臂抓取参数控制量的计算,在控制器的支持下实现系统的机械臂抓取控制功能。实验结果表明,所设计系统应用下位置控制误差和速度控制误差的平均值分别为0.192m和0.138m/s,同时物体抓取掉落概率明显降低。     

地面和空间机械臂的动力学等效条件与控制相似律

针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题,本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间的动力学等效条件和控制相似律.首先,基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件,并基于等效条件设计地面机械臂系统.其次,基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律,设计的空间机械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律.最后,考虑地面机械臂基座往往无法和空间机械臂的基座航天器一样进行全6自由度运动,以及地面机械臂运动时受到重力影响,使得地面机械臂不再满足动力学等效条件,基于反馈线性化技术设计一种地面机械臂的动力学误差补偿策略,使得地面机械臂和空间机械臂具有相似的闭环动力学行为.这样,空间机械臂的控制律可以在设计的地面机械臂上进行验证,仿真中以在地面机械臂上验证空间机械臂的PID控制器为例说明所提方法的有效性.     

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.     

保持基座稳定的双臂空间机器人轨迹规划研究

针对双臂空间机器人在轨执行任务中需要利用平衡臂稳定基座的问题, 提出了两种典型应用需求——基座质心位置稳定、基座姿态和质心位置同时稳定的协调规划方法.首 先,提出了“系统质心等效机械臂”的概念并推导其运动学模型,基于此模型的位置级反解规 划平衡臂的运动轨迹,使基座质心位置稳定在期望位置;其次,根据角动量守恒定律确定反作用飞 轮的运动速度,将飞轮与平衡臂的运动相结合,同时稳定基座姿态和质心位置;最后,建立双臂空间机器人系统的多体动力学模型并开展仿真研究.所提出的方法克服了以往基于微分运动学所无法回避的奇异问题,且不对平衡臂的质量特性和安装位置作特殊规定,仿真结果证明了方法的有效性.     

一种基于遗传算法的空间机械臂避障轨迹规划方法

针对空间机械臂系统的一系列特殊需求,提出了一种空间机械臂轨迹规划方法.假设机械臂在关节空间下存在一条可以用两段高次样条曲线分段描述、满足所有空间机械臂运动特性要求的理想轨迹.这两段样条轨迹之间的连接点参数能够影响两段样条函数在空间中的扭曲形状,从而使机械臂在遵从样条轨迹运动的同时避开所有障碍.首先建立理想轨迹的分段描述方程,将方程中的未知量用与中间点有关的参数进行描述,将不能够确定的中间点相关参数提取出来作为待定参数,从而将空间机械臂轨迹规划问题转变为一个多目标优化求解问题;其次应用遗传算法进行求解,在分析空间机械臂控制需求和障碍的笛卡儿空间描述的基础上,通过加权系数法建立关于笛卡儿空间机械臂末端轨迹长度、关节空间机械臂运动角度、运动过程中关节最大扭矩、机械臂总运动时间和碰撞情况的遗传算法适应度评定函数.最后应用遗传算法在关节空间下规划出一条无碰撞、动力学特性满足裕度要求、轨迹长度和运动时间较短的理想轨迹.另外,上述方法具有拓展性,通过多次分解轨迹求取中间点,能够使机械臂避开非常复杂的障碍.利用该方法在通过C语言建立的空间机械臂仿真平台上进行验证,结果表明该方法稳定、有效,生成的轨迹满足空间机械臂的性能要求.     

大型挠性空间机械臂振动抑制的一种关节控制策略

大型空间机械臂在操作过程中,一个突出的问题是超低频挠性,不仅存在机械臂的弯曲振动,而且还存在关节的扭转变形振动;另外一个不能忽视的问题就是减速器的扭矩传递特性,以及机械臂关节运动与基座扰动（空间站）之问的耦合特性,这就要求根据关节结构和传感器配置实现关节位置控制,同时稳定和衰减机械臂及其关节的低频挠性振动．本文运用集中参数法对空间机械臂的挠性动力学进行建模,设计了工程可实现的单个关节控制策略及其控制律,分析和数值仿真了其稳定性,对未来空间站的大型挠性空间机械臂设计、动力学与控制的研究具有一定的参考价值．     

柔性空间机械臂捕获卫星过程的鲁棒镇定与自适应抑振复合控制

分析漂浮基柔性空间机械臂捕获运动卫星过程的碰撞动力学,及受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统的控制.首先,利用假设模态法近似描述柔性杆的弹性变形,并结合第二类拉格朗日方程建立柔性空间机械臂多体系统动力学模型.而后,基于动量守恒原理,利用动量冲量法分析空间机械臂捕获卫星的碰撞动力学.针对受碰撞冲击后不稳定运动空间机械臂,设计鲁棒镇定与自适应抑振复合控制以维持空间机械臂与被捕获卫星组合体系统稳定.最后,数值仿真揭示了碰撞冲击影响效应,并验证了上述控制算法的有效性.     

面向抓取作业的飞行机械臂系统及其控制

面向飞行机械臂的飞行抓取作业,提出了一个由六旋翼飞行机器人和7自由度机械臂组成的飞行机械臂系统.系统采用分离式控制策略,即飞行机器人和机械臂各有一个控制器.机械臂运动所引起的系统质心和转动惯量的变化量及其导数被用来估计机械臂对飞行机器人的扰动力和力矩.为了减弱机械臂扰动对六旋翼飞行机器人的飞行控制性能的影响,提出了扰动补偿H∞鲁棒飞行控制器.实验结果表明,与没有扰动补偿的控制器相比,当机械臂运动时所提出的扰动补偿H∞鲁棒控制器对系统的飞行控制性能有明显的提升效果.最后,目标物抓取作业实验验证了所提出的飞行机械臂系统的可靠性.     

基于小波逼近的空间机械臂非完整运动最优规划的遗传算法

本文讨论了空间机械臂非完整运动规划问题．将空间机械臂非完整运动规划问题转化 为非线性系统最优控制问题．在控制算法中用小波函数逼近控制输入规律．提出了空间机械 臂非完整运动规划最优控制的遗传算法．数值仿真表明,小波逼近和遗传算法联合求解最优 控制问题是有效的．     

提高柔性机器人运动状态下固有频率的一种方法

对提高柔性机器人运动状态下的固有频率进行了研究．首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素，得出了在结构参数不变的情况下，可以通过适当调整运动参数来提高机器人固有频率的结论；然后研究了机器人的初始位形与运动参数的关系，提出了通过规划机器人的初始位形来调整运动参数从而提高机器人在运动状态下的固有频率的方法，并且给出了相应的算法；最后通过数值仿真验证了该方法的有效性．     

轮式移动平台两构形间运动变换对机械手的影响

本文研究了连接轮式移动平台两构形的3种路径对机械手的影响．指出需要逆路径连 接的构形在规划移动机械手两构形时应尽量避免使用,对机械手来说移动平台的最好构形应 处于能用直接路径连接的区域内,在进行移动机械手协调规划时不应忽略这点,并为移动机 械手优化准则的提出奠定了基础．     

Task-based optimization of reconfigurable robot manipulators

Reconfigurable Manipulators are structurally redundant robots that utilize a subset of their joints to perform a specific task optimally. This paper presents a method of finding a task-based optimal configuration for a new type of reconfigurable robot manipulator, called the modular autonomously reconfigurable serial (MARS) manipulator. The reconfiguration optimization treats the joint space of the MARS manipulator as a 12-dimensional smooth configuration manifold. The manifold is discretized and ranked based on a variety of criteria, and then clustered into attractive and repellent regions. The user then specifies which regions are desired in the target configuration, and the manifold is reduced in dimension in order to maximize the number of attractive regions and minimize the number of repellent regions. Six manipulator configurations are synthesized using this approach, and their effectiveness is compared.     

基于QR分解的冗余度机械臂雅可比矩阵求逆方法

针对冗余度机械臂在轨操作实时性的需求,提出一种基于QR分解的冗余度机械臂雅克比矩阵求逆方法。根据具体的冗余度机械臂的构型特点,将运动学逆解过程划分为多个模块,采用修正施密特QR分解方法计算机械臂雅可比矩阵的伪逆,利用硬件描述语言在FPGA上对各个模块进行了实现。以机械臂直线运动为例,通过仿真实验与利用Matlab解算的方法进行了对比,并研究了定点数长度对硬件资源和误差的影响。实验结果验证了所提出雅克比矩阵求逆方法的可行性及有效性。     

基于MCGS的机械手控制系统设计

介绍了西门子S7-200可编程控制器在机械手控制系统中的应用,并用MCGS组态软件开发了上位机监控系统。在MCGS和PLC通信的基础上,通过计算机控制PLC,实现了对机械手的控制,实践证明,系统具有界面友好,易于操作,运行可靠,能直观的检验机械手控制系统的运行情况等优点。     

基于速度修正项的机械臂避障路径规划

针对机械臂运行过程中存在的碰撞问题, 提出一种基于速度修正项的机械臂避障路径规划方法. 利用B 样条曲线进行机械臂关节空间规划, 使机械臂能够在特定时刻运行到指定构型. 在运行过程中, 利用碰撞检测算法实时计算机械臂与障碍物的最小距离, 在碰撞即将发生时引入积分为零的避障速度修正项改变机械臂运行轨迹, 使得机械臂能够在实现障碍回避的同时, 保证其在特定时刻通过指定构型的要求. 仿真实验表明了所提出方法的正确性和有效性.     

基于张拉整体结构的连续型弯曲机械臂设计与研究

为实现对目标物体的缠绕捕获，利用张拉整体结构质量轻、变形大等特点，提出一种基于张拉整体结构的连续型机械臂的设计．本文首先设计连续型机械臂的结构，建立其力学模型．通过准静态和动态分析，对不同驱动形式下的连续型机械臂运动进行仿真，并在实验平台上验证所建力学模型的准确性，最后分析了其工作空间及奇异位姿．实验结果表明本文设计的连续型机械臂可以实现弯曲缠绕变形，满足对不同大小物体进行缠绕捕获的需求．     

基于Matlab机械臂力控系统仿真研究

以位置控制为主的机械臂控制方法已不能满足某些复杂环境（装配、抛光、去毛刺）的应用要求,控制机械臂与环境间的接触力已成为机器人学研究的一个热点。提出一种在Matlab/SimMechanics环境下平面二自由度机械臂力控制的仿真研究方法。在平面中模拟机械臂与环境的接触面,设计振荡抑制控制器,实现机械臂与环境间接触力的控制,以及机械臂与刚性环境碰撞接触过程中冲击振荡阶段的振荡抑制,生成机械臂期望的运动轨迹。仿真结果表明,该方法可实现特定作业下机械臂与环境间接触力的控制。     

基于粒子群算法的冗余机械手可操作性寻优

针对目标位置对应的冗余机械手形状不确定的情况,在可操作性基础之上,以整体可操作性指标SM为第二指标来确定冗余机械手的形状, 并提出了寻优SM的方法。结合粒子群算法, 取以相关的关节点为圆心、关节长度为半径的圆周上的点坐标为算法粒子进行迭代。仿真结果验证了所提出方法的有效性和SM作为第二指标的优越性。     

A 6-DOF adaptive parallel manipulator with large tilting capacity

In this paper, a novel 6 degrees of freedom (DOFs) adaptive parallel manipulator with large tilting capacity is presented. The manipulator consists of four identical peripheral limbs and one center limb connecting the base and the moving platform. Due to the special architecture, the doubly actuated center limb of the manipulator could have infinite inverse solutions. In every configuration of the end-effector, the manipulator can adapt its center limb to the position and orientation with best dexterity. An optimization equation for obtaining the optimized dexterity of the manipulator is introduced to solve this nonholonomic problem, which also makes the manipulator capable of large tilting capacity. Targeting for the application of five-face machining, the detailed kinematic analysis of the manipulator is developed, which includes the closed-form solutions of inverse position problems, the singularity, dexterity, workspace and tilting capability. The analysis developed in this paper shows that the proposed manipulator has large tilting capacity and thus a suitable candidate for five-face machining.