基于任务的可重构模块机器人构形确定方法

可重构机器人为柔性加工系统提供了更多的选择,但复杂多变的任务、环境以及机器人模块无穷组合,为机器人构形的确定带来了很大的难题。采用遗传算法和迭代算法分两级搜索对机器人构形组合进行优化设计:运用遗传算法对机器人构形进行进化设计,满足工作空间的可达性、环境避障、线性和角度误差、末端操作灵巧度、运动关节的动力学要求、期望模块数目等性能指标要求。运用迭代算法对构形进行运动学逆解求解,计算空间工作点的可达性适应度。根据可装配的模块机器人及模块化思想,建立各个模块的速度、加速度等动力学表达式及相关修正公式,采用补偿迭代法来自动生成动力学方程,计算运动模块驱动性能的适应度。用专家经验对搜索得到适应度较高的构形进行修正,得到满足工作要求的机器人构形。最后给出实例验证。     

可重构机器人构形容错性分析及控制的研究

首先对可重构机器人工作构形的容错性进行了研究,以相对可操作度和容错空间作为评价指标,分析了各关节对当前工作构形容错性的影响.在满足任务对构形性能要求下,通过增加较少数量的关节补偿容错性能较差的关节,进而提高工作构形的容错性能.然后对形成的容错构形的控制方法进行研究.最后进行实例仿真,验证构形容错控制方法的可行性和通用性.     

基于状态构形矢量和状态构形矩阵的可重构模块星球机器人构形

可重构模块星球机器人系统由母体和多个子机器人模块组成,单个模块可以独立运动和操作,多个模块可以重构组合成不同构形,模块采用非对称式轮手一体机构,具有姿态方位性和运动方向性,重构目的是组成在某种环境下更好地完成有向性运动的构形。基于此,提出矢量构形概念,将运动趋势方向和方位性融合到构形拓扑结构中。在模块矢量分析模型基础上,提出并构建状态构形矢量(State configuration vector, SCV)和状态构形矩阵(State configuration matrix, SCM),对非对称式单模块和整体构形的状态信息进行描述,同时支持预定义的数学变换操作,可以表达并触发模块的基础动作、构形重构。提出离散模块组合重构成目标构形的优化分析算法,通过实例仿真计算获得优化分析的选择结果。     

基于构形控制的仿人机器人操作臂最小关节运动研究

以宜人化双臂操作服务型机器人的左臂为研究对象，进行仿真研究与分析。建立七自由度的冗余操作臂的运动学模型；以加权关节运动为优化目标，利用构形控制的方法求解操作臂的运动学逆解。仿真结果证明，在保证操作臂末端精确跟踪设定轨迹的前提下，关节运动避免了极限，加权关节运动得到了优化，算法和优化指标有效可靠。     

模块化变形机器人非同构构形表达与计数

提出一种新型链式可重构模块机器人平台,该机器人平台具有手动可重构和自动变形的特点,介绍一种三模块变形机器人样机。组成机器人的单个模块可以简化为由模块本体、连接臂和偏置关节组成。模块的数量可以根据实际工作的需要进行选择,模块间的连接具有规则连接和非规则连接两种方式;同时,由连接模块的偏置关节的运动,模块间的相对位置可以改变。由于模块连接方式的不同和模块间相对位置的变化,变形机器人具有多种非同构构形;为此,根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息,并在仿真环境下进行等效描述;提出基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形的计数,并根据构形矩阵的拓扑信息对构形进行评价。最后根据仿真结果给出了一种三模块变形机器人样机对称构形的设计示例,验证了算法的可行性。     

多指护理灵巧手的优化

从手指关节运动副型式、手指指数和手掌、手指结构、手指材料、各个关节运动的驱动方式以及传动方式、各关节截面的结构型式、传感器的选择和布置等7个方面对灵巧手进行优化分析。考虑到一般性和通用性,对各手指之间的相对位置及姿态、各关节的长度及回转关节的回转角度范围,运用拟人法,类比法,建立优化目标函数和约束条件进行优化计算,设计出一种用于护理机器人上的带手掌的3指9关节灵巧手。对灵巧手的具体结构作了分析,绘出了灵巧手的三维结构模型。优化的护理灵巧手扩大了抓取范围,安装了灵巧手的护理机器人,减轻了护士的劳动强度,提高了护理质量。     

平面冗余驱动并联机器人的性能分析与尺度综合

建立了平面2自由度冗余驱动并联机器人的Hessian矩阵,将Hessian矩阵引入全域性能指标中,进行速度、加速度和灵巧度性能指标分析,给出三项指标的性能图谱,讨论结构尺寸变化对机构性能的影响。以该机器人速度、加速度和灵巧度指标为目标函数,以无奇异位形和工作空间为约束条件进行基于性能图谱的尺度综合,对不同权重优化结果的讨论为该机器人的构形设计提供了参考。     

基于速度方向可操作度的冗余机器人关节轨迹优化

针对冗余度机器人机构的关节轨迹优化进行研究.在机器人速度可操作椭球和方向可操作度的基础上,定义冗余度机器人速度方向可操作度,以速度方向可操作度为性能指标,给出了冗余度机器人关节轨迹优化的一种新的方法.与伪逆优化结果比较,本文优化方法使得机器人速度方向可操作度达到期望值的时间明显减少,在给定方向上的传速性能得到显著改善.     

一类新的冗余度机器人关节运动优化方法

针对冗余度机器人机构的关节运动优化进行研究.在机器人力可操作椭球及方向可操作度的基础上,定义冗余度机器人力方向可操作度,以力方向可操作度为性能指标,给出了冗余度机器人关节运动优化的一种新方法.与基于伪逆的优化结果比较,本文优化使得机器人力方向可操作度达到期望值的时间明显减少,在给定方向上力的传递性能得到改善,且能避免奇异.     

多指手的操作灵巧性设计

将多指手的设计分解为手指机构的灵巧性设计及手指的合理布位两个子问题。针对子问题一,以手指雅可比矩阵条件数的倒数为位形操作灵巧性指标确定了合理的手指杆长比例及指端的灵巧操作区间。以灵巧操作速度和灵巧操作力为指端操作灵巧性指标,给出了确定手指驱动器功率的算法。对于子问题二,根据操作灵巧性对各指端灵巧操作区间相对位姿关系的要求,给出了手指布位的一般性原则。     

Manipulability inclusive principle for hip joint assistive mechanism design optimization

The purpose of the design optimization for assistive mechanism is ensuring that assistive mechanism is able to satisfy assistive feasibility and realizes better assistive effect in the whole expected workspace. For this purpose, based on manipulability comparison between assisted limb and slave-active assistive mechanism, manipulability inclusive principle (MIP) is proposed as an effective and simple method to consider assistive feasibility and assistive effect in terms of kinematics. Then MIP evaluation criterions are proposed to evaluate assistive feasibility and assistive effect in mathematical ways. Concretely, weak inclusive judgment algorithm and strong inclusive judgment algorithm are proposed for judging inclusive cases to evaluate assistive feasibility, and evaluation criterion proposed for evaluating assistive effect is considered in terms of assistive efficiency, assistive ability, and assistive isotropy. The application on human hip joint parallel assistive mechanism shows that design optimization based on MIP can effectively optimize the parallel assistive mechanism to realize better assistance.     

冗余度机械臂全局容错运动规划新算法

针对冗余度机械臂发生锁死故障提出一种新的算法 ,在一维寻优结果的基础上 ,快速准确地寻找到二维平面的最优位置 ;同时对三种不同意义的起始位置故障时刻的性能进行了比较。最后用平面 3R冗余度机械臂进行了计算仿真。     

Manipulability analysis of underwater robotic arms on ROV and application to task-oriented joint configuration

This paper describes the task-oriented manipulability of tele-operated robotic arms mounted on a remotely operated vehicle (ROV) and its application to task-oriented joint configurations. The main purpose of the study is to reduce the tele-operator’s burden in performing underwater tasks by enhancing the functionality of the manipulator. Even though a manipulator has 6 degrees-of-freedom (DOF), which is proper DOF to work in Cartesian workspace, the manipulator might have redundancy according to task types and order of task-priority. This paper focuses on the problem to utilize the redundancy by introducing a scalar function as an object of optimization. The scalar function is composed of a taskoriented manipulability measure (TOMM) and joint limit measure (JLM). Using sequential quadratic programming (SQP) with the object function, we obtained optimal postures of the manipulator for a given position constraint of the end-effecter. Adopting the scalar function as a performance index, we solved a redundancy resolution problem based on the pseudo inverse of the task-oriented Jacobian matrix.     

冗余度机械臂关节运动和末端运动的同步容错规划

给出了可操作度这一运动灵活性指标新的物理解释,在此基础上进一步分析了退化可操作度这一容错性能指标的物理含义,由此得到了反映容错空间和实际操作度大小的臂长和转角这两种新的容错性能指标;利用它们对平面3R机械臂进行了关节运动和末端运动同步容错规划的仿真研究。研究结果表明,转角指标的最大化有利于避免发生故障时刻的退化机械臂出现奇异位形;而臂长指标有利于避免该退化机械臂在故障发生后的运动中出现奇异位形。     

基于速度方向可操作度的双臂机器人轨迹规划

在双臂机器人速度可操作度椭球的基础上,定义双臂机器人速度方向可操作度,以速度方向可操作度为性能指标,给出了双臂协调运动关节轨迹规划,理论及算例仿真分析结果表明了规划方法的可行性.     

欠驱动冗余度机械臂的动态自重构

分析了欠驱动冗余度机械臂不同机构模式下运动学模型及动力学模型之间的关系,给出了欠驱动机械臂工作于全驱动模式下的动力学操作性度量指标。提出了一种欠驱动机械臂工作在欠驱动模式时的基于非线性控制技术的自运动控制方法,利用少维数的控制输入实现了机械臂的多维关节空间的运动控制,使欠驱动冗余度机械臂能完成自运动流形控制。提出一种动态提高欠驱动冗余度机械臂工作于全驱动模式时的操作性能的方法,通过有两个被动关节的平面四关节欠驱动机械臂进行了仿真验证。     

COMPREHENSIVE EVALUATION OF FAULT-TOLERANT PROPERTIES OF REDUNDANT ROBOTS

When a redundant robot performs a fault-tolerant operation for locked joint failures, its fault tolerant properties should include dexterity and sudden change of joint velocity at the moment of locking failed joints and the dexterity during the post-failure. Firstly three fault-tolerant indexes, reduced condition number, sudden change of relative joint velocity and centrality are proposed, which can comprehensively evaluate the kinematical performance of a redundant robot during its entire fault-tolerant operations. Then, the influence of the initial postures of robot＇s end-effector on these fault-tolerant indexes is analyzed with a planar robot and a spatial robot. Simulation results show that for a given task the joint trajectory with the best comprehensive effect of fault tolerance can be determined by optimizing the initial posture of a robot.     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。     

具有容错性能的冗余度机器人轨迹规划

首先,提出综合关节可操作度这一种新的容错性能指标,利用该指标可以有目的地调配各关节间容错能力,从而使冗余度机器人实现自觉性的容错操作。然后,针对BUAA-RR 7R空间机器人进行了数值仿真和实验研究。