一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。     

桥式堆垛机柔性臂在制动后的余振抑制

抑制柔性臂在制动后的余振有利于提高桥式堆垛机停车的稳定性和定位性的准确性。考虑由于柔性臂弹性引起的振动,结合电机传动特性建立其运动模型。讨论了加加速限制和加加速衰减等常用的输入整形算法对其余振的抑制,并选择性能较优的整形算法进行进一步研究。最后,提出了一种更优化的余振抑制方法:用加加速衰减作为输入整形,并用LQR优化其余振抑制效果和鲁棒性。详细论述了两种输入整形的原理和LQR的设计方法,然后进行了振动曲线的仿真和实验,验证了其余振抑制的效果。     

基于SimMechanics的六自由度机械臂运动算法验证

建立了基于SimMechanics模块的六自由度机械臂离线仿真平台,创建了机械臂模型,并在虚拟环境下根据六自由度机械臂末端的运动轨迹规划,通过逆运动学模型得到了各个关节角度数据,将其发送给伺服电机,从而驱动各个关节,使机械臂能够按照预期轨迹运动。通过离线仿真,证明了机械臂运动规划算法的正确性。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。       

基于能量模型的柔性关节机械臂参数辨识方法

对关节动力学模型和机械臂能量模型进行了介绍,基于能量模型,提出了柔性关节机械臂参数的辨识方法。这一方法通过建立能量输入与机械臂动力学参数的线性化关系,由最小二乘法实现参数辨识。应用这一方法在六自由度柔性关节机械臂上进行动力学参数辨识试验,验证了方法的有效性。     

基于神经网络的液压柔性机械臂运动轨迹的跟踪控制

针对液压柔性机械臂在运动作业过程中,由于系统参数不确定、运动轨迹缺乏控制,导致运动失稳的情况,首先介绍了神经网络,结合柔性机械臂的高自由度特点选择适合的轨迹跟踪方法;其次,结合模糊神经网络图,对液压柔性机械臂系统进行参数化设计,利用其能跟踪轨迹误差的特点,结合一阶梯度法寻找液压柔性机械臂的运动期望位置;最后,在满足两个关节达到期望轨迹的同时,利用神经网络系统有效控制液压柔性机械臂的运动轨迹。实验表明,该智能网络方法具有更好的跟踪效果。     

单自由度柔性机械臂刚柔耦合动力学仿真研究

柔性机械臂在刚性旋转的同时自身存在弹性变形运动,其动力学行为表现为复杂的刚柔耦合现象,对机械臂的控制精度和运动稳定性产生不可忽视的影响.为研究单自由度柔性机械臂的刚柔耦合特性,采用了ANSYS和ADAMS的联合仿真方法.基于柔性体建模理论,在ANSYS中建立单自由度柔性机械臂的有限元模型,将模型导入ADAMS中进行动力学仿真.分析了机械臂末端的振动与转速的关系,研究了某一时刻的动应力及其随时间的变化情况.结果表明,该方法适用于柔性机械臂的刚柔耦合动力学特性研究,对柔性机械臂的设计具有重要意义.     

仿人7自由度机械臂位置层面轨迹规划研究

仿人7自由度机械臂作为一种特殊结构的冗余自由度机器人,具有更好的运动学性能.为了简化仿人机械臂轨迹规划的计算量,从仿人机械臂的逆运动算法入手,讨论了位置层面的仿人机械臂逆运动计算方法,并在轨迹规划中采用定时插补和定距插补的方法,通过位置层面逆解中加入机器人运动的速度和加速度等信息,实现了在位置层面上对仿人7自由度机器人关节空间的全方位运动规划.     

基于柔性补偿的行星表面采样机械臂控制策略研究

为了适应行星表面较大范围采样及系统减重需求,行星表面采样机械臂通常由细长的臂杆和多个旋转关节串联组成,柔性特征明显。针对4自由度行星采样机械臂,提出基于柔性补偿的控制策略,以提高机械臂的运动精度。基于混合坐标法建立考虑关节和臂杆弯曲变形的机械臂运动学模型,计算机械臂末端柔性偏差;设计机械臂末端笛卡尔空间加速度连续平滑的变加速-匀速-变减速的运动路径,并在期望路径中实时补偿柔性偏差项;基于simulation X软件,建立精细的动力学和关节控制器模型,对机械臂的典型任务进行仿真,验证控制算法的有效性。结果表明,采用柔性补偿的控制策略能够明显提高机械臂的动态跟踪精度及末端定位精度。     

带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制

为了实时控制柔性机械臂的残余振动，提高定位精度，提出了带有加速度反馈的开关变结构控制，将柔性机械臂的运动过程分成两部分，第一部分使其在控制力矩作用下做大角度刚体运动；第二部分，当柔性机械臂的运动临近终止状态时，通过逻辑开关，将柔性机械臂末端加速度反馈量接通，　以产生抑制弹性振动的控制力矩，与刚体运动的控制力矩迭加，完成终点定位和振动抑制。一系列的试验包括与ＰＩＤ控制的比较证明带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制对于抑制柔性臂残余振动是有效和实用的。     

基于改进人工势场法的双机械臂避障路径规划

针对双6自由度机械臂提出了一种基于改进人工势场法的避障路径规划算法。分析了双机械臂的协作工作空间,确认了双臂自碰撞的可能。针对静态障碍物对主机械臂进行避障运动规划,完成主机械臂路径规划后,再将主机械臂作为从机械臂运动时的动态障碍物,为从机械臂规划避障运动路径。利用新的势能函数代替传统人工势场法的势能函数,对双机械臂进行避障路径规划;由于传统人工势场法在机械臂避障路径规划中容易陷入局部极小值的缺陷,因此,增加了虚拟吸引点,避免机械臂陷入局部极小值。仿真实验表明,该方法实现简单,满足双机械臂避障的要求,能够有效地为双机械臂规划出无碰撞路径。     

液压驱动机械臂的轨迹规划

提出了一种基于液压驱动的机械臂轨迹规划方法。在对n自由度机械臂进行基于C空间的无碰撞轨迹规划后,根据液压驱动机械臂的特性,并在对机械臂运用ADMS进行运动求逆的基础上,采用抛物线过渡线性插值算法对液压缸进行了运动优化,得到了基于无碰撞的优化轨迹。仿真及实装试验结果表明,所规划的运动轨迹符合各项性能指标,同时也验证此方法是有效的。     

柔性机械臂结构-控制耦合特征的实验研究

利用柔性机械臂主动控制实验装置以及相应的动力学参数测试系统 ,采用光电编码器、加速度计和应变片分别检测柔性臂的大范围运动、末端振动及驱动力矩 ,对柔性机械臂结构 -控制耦合特性进行了研究。实验结果发现 :1)由于结构与控制系统的耦合 ,改变了柔性机械臂的第一阶振动频率 ;2 )在实现规定运动时 ,不同结构的柔性机械臂的驱动力矩形式明显不同 ;3)柔性机械臂的驱动力矩具有随伺服驱动系统工频的脉动现象。验证了柔性机械臂结构与控制系统之间存在相互作用 ;指出采取结构 -控制一体化设计方法是提高柔性机械臂性能的一个重要手段。     

动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法

为满足实时性和安全性的要求,提出了一种动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法.应用这一算法,在运动规划过程中可以兼顾机器人的避障和轨迹的平稳性.针对运动规划过程中出现的轨迹抖动问题,构建了基于自适应权重的优化问题模型.基于UR10机器人平台进行仿真验证,确认所提出的动态环境下六自由度机械臂在线运动规划算法的有效性与优...     

六自由度柔性关节机械臂的动力学分析

大多数的机器人都是在刚体动力学假设的基础上进行运动控制设计的,因此其在实际操作中的精度和效率受到一定的限制,而柔性机械臂可以很好地解决此类问题。首先给出了六自由度的柔性关节机械臂的简化模型,利用拉格朗日方法建立其动力学方程;然后以单自由度柔性关节机械臂为例,基于神经网络反演法对其控制率进行了设计;最后基于Simulink验证了控制器设计的有效性。     

移动操作臂研究现状和发展方向

阐述了移动操作臂的研究现状和关键技术。移动操作臂在传统轻量高自由度机械臂的基础上结合自主移动平台,极大地扩展了灵活工作空间,提高了工作柔性,更适应复杂的工作环境和工作要求。通过分析几种典型移动操作臂的结构设计和功能指标,探讨了移动操作臂的本体结构设计、运动过程控制、路径规划、移动定位导航以及多移动操作臂协作等关键技术,展望了移动操作臂的发展趋势和应用前景。     

基于六自由度机械臂的轨迹规划

针对机械臂运动过程中速度和加速度的运动连续性问题,基于六自由度机械臂关节空间的三次多项式轨迹规划,提出了一种过多路径点的轨迹规划的算法.为保持机械臂运动过程中各关节的速度和加速度的运动连续性,通过时间归一化方法来求解,不仅简化了求解过程,还提高了计算效率.数字仿真结果表明此方法的可行性.     

柔性机械臂振动控制系统的实验研究

本文为避开柔性机械臂传统建模的繁锁性及精确性的要求，研究柔性机械臂振动的控制规律，对并置式ＰＩＤ控制的柔性机械臂进行了系统的实验研究，包括电机轴驱动力矩和梁末端加速度响应的检测，调整系统的控制增益或运动参数，可实现柔性机械臂振动的有效抑制，通过一系列的实验研究，揭示了柔性臂振动控制规律－力相位制律，为柔性机械臂振动控制及其控制器的设计指明了方向，本实验研究亦可验证理论模型。     

复杂环境下软体机械臂的运动学解耦与避障方法

软体机械臂具有无限自由度和高度灵活性的特点,在复杂非结构化环境中应用潜力巨大。在研究柔性机械臂的过程中,由于软体机械臂各段之间在运动学上存在强耦合性,非结构化环境中软体机械臂运动学关系的构建较为复杂,在求解软体机械臂逆运动学时存在奇异解甚至无解的情况,柔性机械臂的避障控制十分困难。因此,受藤蔓生长过程的启发,提出一种分段建模和顺序控制方法,旨在解决软体机械臂在运动过程中的耦合问题,简化软体机械臂在逆运动学中的求解难度,从而实现机械臂在非结构化环境中实现避障。首先利用分段常曲率法建立软体机械臂运动学模型,利用约束条件快速求解软体机械臂中逆运动学各个参数信息,然后基于快速探索随机树（RRT）建立了机械臂的改进型RRT路径规划算法,最后构建了非结构化复杂环境,并在Matlab中测试了机械臂的避障能力。仿真结果验证了所建立运动学模型的正确性,也表明利用顺序控制策略对实现软体机械臂在非结构化环境中避障具有可行性。     

基于形状记忆合金驱动的柔性机械臂研究

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的柔性驱动模块,柔性驱动模块能够实现三维空间弯曲变形运动。以柔性驱动模块为模块单元,模块化组装了四关节柔性机械臂。基于SMA电阻变化特性,建立了SMA电阻自反馈控制系统,开展了柔性驱动器变形的参数化分析。进一步建立了柔性机械臂的多模态运动控制系统,实现了柔性机械臂的空间蜷缩抓取运动,通过实验验证了柔性机械臂灵活的空间运动能力。