故障机械臂模型重构后的轨迹规划与实验分析

针对六自由度机械臂作业过程中,两个旋转或俯仰关节发生故障后的运动受限问题,提出一种基于D-H表示法的模型重构轨迹规划方法 .首先对故障前后的机械臂结构进行分析,锁定故障关节,将原六自由度机械臂转化为四自由度机械臂,然后采用D-H表示法对故障机械臂进行建模,并求取其运动学正逆解,再重新在任务空间中对机械臂进行轨迹规划.为了验证故障机械臂轨迹规划算法的有效性,进行了移动机械臂旋拧圆形门把手的实验,采集故障前后的机械臂运动数据进行分析,验证了所设计算法在直线、圆弧轨迹规划中的可行性.实验结果表明,在故障机械臂的工作空间内,模型重构后的机械臂仍能完成一定的作业任务.     

七自由度仿人手臂双臂一体机器人协调运动学研究

双臂避碰、单臂内回避奇异及关节极限是仿人手臂双臂协调主作业实现的首要条件。由于双臂协调和单臂运动是相关且并行的,所以,提出用对单臂运动学逆解进行修正的方法来得到双臂协调运动学逆解。通过对双臂上任意臂杆避碰的分析,提出了相碰检验条件及避碰附加作业模型,并利用冗余自由度和Ｊａｃｏｂａｎ矩阵的零空间分解得到了双臂避碰附加作业闻解,最后用此逆解修正单臂运动 。本方法对空间机器人双臂手、ｎ－Ｄ．Ｏ．Ｆ臂双臂     

冗余机械臂运动学建模与轨迹规划分析

针对七自由度冗余机械臂运动规划问题,提出了一种改进的运动学建模方法和轨迹规划方法。首先,通过改进的DH参数法建立冗余机械臂的正向运动学模型,描述从关节空间到笛卡儿空间的变换。然后,提出加权最小二乘法建立冗余机械臂的逆向运动学模型,快速求解笛卡儿空间到关节空间的变换。接着,利用五阶多项式插值函数对冗余机械臂进行关节空间轨迹规划,提高机械臂运动的平坦性。最后,在仿真中验证了本文所提方法的有效性,结果表明该方法能够有效解决冗余机械臂的运动规划问题,具有一定的实际应用参考价值。     

基于调和场的连续型机械臂运动规划

为解决连续型机械臂在复杂空间环境中路径规划困难和路径跟随过程中难以计算关节空间参数的问题,本文提出一种基于调和场的多点协调运动规划方法.该方法利用调和函数在二维笛卡尔空间建立多障碍物的调和场,解决了传统人工势场法陷入局部最小值问题,使连续型机械臂末端规划出无碰撞路径.选取机械臂上多个特殊点,将参考路径上的点作为汇点,这些汇点随机械臂靠近目标而不断更新,通过汇点对特殊点的吸引和障碍物对特殊点的排斥使连续型机械臂完成操作任务.对4段连续型机械臂模型进行MATLAB仿真试验,结果表明,连续型机械臂多点协调运动规划方法能有效满足任务要求,且机械臂末端与参考轨迹误差控制在5.6%以内.     

转向架动态模拟试验台避撞模型的构建

利用齐次坐标矩阵和齐次坐标变换矩阵建立3个六自由度运动平台位姿反解模型,采用包围盒方法对运动平台和垂向作动器周围障碍物进行简化。根据空间运动学及空间凸多面体数值表述理论,建立运动平台及垂向作动器与周围障碍物之间的避撞检测模型,通过计算两物体之间的最短距离来判断某位姿下两物体是否发生碰撞。结合实例,利用Matlab仿真,验证了所建避撞模型的正确性,从而为运动平台及运动平台的垂向作动器避免发生碰撞提供有效数据。     

动态环境下基于蚁群算法的机器人路径规划

提出了在动态环境中移动机器人的一种路径规划方法,适用于环境中同时存在已知和未知、静止和运动障碍物的复杂情况.采用栅格法建立了机器人工作空间模型,整个系统由全局路径规划和局部避碰规划两部分组成.在全局路径规划中,用改进蚁群算法规划出初步全局优化路径;局部避碰规划主要是在跟踪全局优化路径的过程中,通过基于滚动窗口的环境探测和碰撞预测,对动态障碍物实施有效的局部避碰策略,从而使机器人能够安全顺利地到达目的地.仿真实验的结果表明所述方法具有可行性.     

基于碰撞检测的空间冗余机械臂避障路径规划

针对障碍环境中自由漂浮模式空间冗余机械臂的路径规划问题进行了研究。首先基于球形包围盒和空间叠加思想简化描述障碍物和机械臂的空间占位关系,采用直线段与球体之间相对位置关系判断是否碰撞的检测方法。然后从正向运动学出发,运用关节参数化方法,把路径规划问题变为带约束的参数优化问题,并考虑基座姿态扰动最小以及碰撞规避建立多项加权的目标函数,通过粒子群优化算法求解最优解,得到机械臂关节运动轨迹。最后以七自由度空间冗余机械臂为例进行仿真,结果表明该方法可以实现有效避障,同时基座姿态受扰很小,关节运动轨迹平滑,且机械臂末端也能够以较高精度达到期望位姿。     

空间机器人多臂精准协同控制技术

为了解决单臂空间机器人在轨服务任务中机械臂末端位姿控制精度有限的问题,提出了一种空间机器人多臂精准协同控制方法,该方法以3条7自由度机械臂的空间机器人(SR)为研究对象,利用Kane方法建立了具有通用性的SR动力学模型,该模型包括本体动力学方程与各条机械臂动力学方程两部分;在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了SR捕获目标过程中机械臂各关节的轨迹跟踪控制律,克服了机械臂的运动抖动问题．仿真结果表明,该方法可保证机械臂末端按照期望的轨迹运动,并且能提高机械臂末端位姿控制精度．     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

基于启发式采样算法的二自由度机械臂轨迹规划

针对传统的采样类轨迹规划算法存在随机性、计算效率低等问题,根据机械臂运动学约束,给出关于关节空间的启发式采样轨迹规划算法。采用拉格朗日法建立二自由度机械臂的动力学模型,以角加速度为采样对象,通过积分器采集角速度与角度位移进行转矩的实时检测,结合启发式采样算法,实现给定目标位姿的轨迹自动规划;且对机械臂两关节在不同负载下的运动位置、速度在MATLAB中进行仿真,并与传统的B-spline轨迹规划方法比较。结果表明,启发式采样算法可实现不同负载下给定目标位姿路径的自动规划,且在时效性及路径规划上具有优越性。     

具有关节限位的7R仿人机械臂逆运动学优化

针对7R仿人机械臂运动优化问题,建立了基于臂角参数的逆运动学封闭解,并采用解析法确定了关节限位约束下臂角参数的有效范围。此外,定义了一种新的关节位置评价函数,将避关节限位的优化指标转化为虚拟转矩。在此基础上,提出一种自寻优方法,用于解决机械臂避关节限位的运动优化问题。仿真结果表明:本文方法能准确地确定臂角的有效范围,同时能快速有效地完成机械臂运动学优化任务。     

一种六氟化硫检测机械臂的设计与分析

针对220kV变电站六氟化硫断路器气体泄漏的检测作业过程,以检测断路器圆周罐体为任务需求设计一种检测机械臂。首先通过分析六氟化硫断路器检测环境和检测内容,提出四种检测机械臂构型并完成检测机械臂的尺度综合;其次采用D-H方法建立以关节角为变量的检测机械臂运动学模型,通过蒙特卡洛法计算检测机械臂的工作空间;最后在工作空间中规划对六氟化硫断路器罐体的检测路径,通过Matlab进行轨迹仿真,分析各个关节的角度与速度变化趋势。通过对检测机械臂的仿真和实验,表明本文设计的检测机械臂能够有效稳定地完成六氟化硫断路器罐体的气体泄漏检测作业。     

核环境多关节蛇形机械臂的运动控制系统设计

以核聚变反应舱的探测和维护作业为例,设计一种具有多关节串联式结构的蛇形遥操纵机械臂系统,结构采用轨道推送加悬臂调整的复合式操控方案。针对机械臂执行全舱作业的运动需求,对机械臂运动轨迹进行仿真分析。设计包括路径规划与轨迹控制等的机械臂运动控制算法,构建各关节在运动学上能够同步运行的多轴协调控制系统。通过搭建模拟舱几何环境,对机械臂进行运动测试,完成关节旋转角度的控制精度评估。构建机械臂系统的重力补偿模块,通过柔性模型的仿真验证对机械臂系统的末端定位精度加以评估。测试结果验证了运动控制系统的有效性。     

面向配电系统的带电抢修作业机器人

面向电力行业应急救援和安全抢修作业装备发展的需求,设计了一种配电系统带电抢修作业机器人,并对其机械结构与控制系统进行了介绍。提出一种基于液压伺服驱动的6自由度机械臂的系统解决方案,通过运动学、动力学和有限元分析优化了部件结构和动力学性能,使其有效负载能力达到最大。针对作业过程中机器人本体与导线发生碰撞等引起的震荡问题,使用非对称控制方法,建立了机械臂的柔顺控制模型,降低了震荡的影响。将整体单目视觉的静态测量与双目手眼视觉系统的动态测量相结合,设计了复杂环境下目标点的高精度动态定位系统,实现了机械臂的局部自主路径规划与运动控制。通过实验验证了所开发的带电抢修作业机器人在10 kV以下配电线路应用的有效性和可行性。     

近距离会遇时船舶避碰动态辅助模型

为了协助船员快速确定合理的避碰策略,本文通过将船舶操纵运动数学模型、控制算法以及避碰要素动态数学模型相结合,提出一种充分考虑船舶运动特性的近距离会遇时船舶避碰动态辅助模型。选取具有较高精度的3自由度分离型船舶运动模型(MMG模型)描述避碰过程中船舶操纵运动特性。将MMG模型等价变换得到非仿射纯反馈形式的船舶操纵运动控制系统,利用后推控制设计方法,并结合隐函数定理、中值定理、神经网络、动态面控制技术,设计了一种结构简单、效果良好的直接自适应控制算法。同时基于MMG模型特点,构建了准确适用的船舶避碰要素动态计算数学模型。利用2艘相距较近且处于交叉相遇局面的船舶进行避碰仿真和对比研究。结果表明:所提出的避碰动态辅助模型能准确描述避碰过程中船舶操纵运动轨迹,能计算出符合实际的船舶避碰要素数值,能够为船舶采取有效的避碰行动提供辅助支撑。     

六自由度模块化机械臂的逆运动学分析

针对自主研发的六自由度(DOF)模块化机械臂,提出一种逆运动学求解方法.根据机械臂的结构特点和运动学约束,对机械臂的运动学进行分析.建立该类型机械臂的正运动学模型,得到了机械臂逆运动学的完整解析解.采用Denavit-Hartenberg(D-H)法对机械臂操作空间进行描述,在考虑机械臂运动学约束的基础上,得到以关节角度为变量的正运动学模型.通过分析正运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解机械臂的正运动学模型,得到了该类机械臂逆运动学的完整解析解.通过仿真验证了正运动学模型及运动学逆解的正确性,运动学逆解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划.     

基于Voronoi图的实时人群路径规划

为了实现在人群路径规划中避碰操作,作者提出了一种基于GPU高效计算特性的实时离散Voronoi图计算方法,并建立了一种基于Voronoi图的人群路径规划方案.利用Voronoi图对平面按照欧式距离进行划分的特性,并通过将每个虚拟人的Voronoi区域作为其活动范围,使每个虚拟人都限制在自己的区域内活动,从而在人群路径规划中避免了为虚拟人进行碰撞检测的复杂操作.     

六自由度机械臂运动学分析与仿真研究

运用D-H参数法确定机械臂的参数、坐标系,建立机械臂的运动学方程。在Matlab软件中进行数值计算,通过分析机械臂的工作空间,得到了机械臂工作空间图。在Matlab工作环境下,用机器人工具箱Robotics Toolbox对所建六自由度机械臂运动学模型的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行验证与仿真,得到了各关节的角位移、角速度、角加速度与时间的关系曲线。研究表明,该机械臂运动空间设计直观、精确,为机械臂控制系统设计、动力学分析及轨迹规划提供了理论基础和参考依据。     

一种基于六次多项式轨迹规划的机械臂避障算法

针对机械臂避障轨迹规划的一系列需求,提出了一种基于六次多项式轨迹规划的机械臂避障算法。首先,采用六次多项式对机械臂轨迹进行规划。设曲线方程中六次项系数为待定参数,通过调整参数,改变曲线形状,使机械臂绕过障碍物的同时优化轨迹的性能指标,从而将机械臂避障轨迹规划问题转化为约束条件下的多目标优化问题;其次,综合碰撞检测结果、运动学指标,通过加权系数法建立适应度函数;最后,通过遗传算法进行优化,在关节空间中规划出一条无碰撞,同时运动学、轨迹长度、转动角度等要求一起协同优化的理想运动轨迹。此外,通过MATLAB对该算法进行了仿真实验验证,结果表明,该方法能够有效地规划出满足机械臂性能要求的无障碍运动轨迹。     

机器人关节间的碰撞检测

将多臂机器人机械臂和各运动关节简化为圆柱体,通过计算两圆柱体中心线间最短距离来进行机器人的碰撞检测研究.通过总结提炼两空间线段间的相互位置关系,在进行解析、推导的基础上,提出了7个有意义的解析几何推论,直接可得出两空间线段间的最短距离,然后根据得出的结果,设计了一个机器人运动关节间的碰撞检测算法.该算法程序设计简单,计算量小,能有效地满足实际应用需要.