航空制孔末端执行器中调姿机构的设计与实验

针对飞机装配中的机器人制孔垂直度问题,设计了一种双偏心盘调姿机构.首先采用4个激光传感器测量工件制孔点处的法向量,求出钻头中心线与调姿平面的交点.然后计算调姿机构需转过的角度,调姿电机驱动该调姿机构对钻头姿态进行调整.该机构的特点是在保持钻头顶点不动时,调整钻头姿态.因此,避免了二次移动钻头位置.最后,在ADAMS中对该调姿机构做了仿真,并在机器人制孔平台上做了制孔实验,验证了其原理的正确性.      

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

机器人的空间位姿误差分析方法

采用了五参数模型作为机器人的运动学模型,根据相邻构件间的误差传递关系,应用位姿建模矩阵法建立了机器人的位姿误差模型,并编制了基于C++的位姿误差分析软件.利用所编制的误差分析软件,针对一6-DOF空间摄像机器人具体实例,计算分析了参数变化对机器人的末端位姿误差的影响规律,并绘制了该机器人的等误差曲线图.通过所建立的五参数误差模型和分析软件,可以直观地了解机器人机构的误差分布情况,便于合理地使用机器人或进行机器人机构误差的校正.研究结果为机器人的误差补偿提供了依据.     

基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

基于标定及补偿提高串联机器人定位精度方法

在使用串联机器人进行定位操作前,首先需要对机器人基坐标系与测量坐标系进行位姿关系的标定,针对具有隐藏机器人基坐标系以及机器人法兰坐标系的串联机构,本文提出一种等价变换思想并结合应用激光跟踪仪测得机器人末端靶标点的坐标数据建立标定矩阵方程,应用罗德里格矩阵变换将标定方程转化为三元二次矩阵方程形式,采用最小二乘法和牛顿迭代法求出数值解进而完成机器人基坐标系与测量坐标系标定的方法。然后应用这种方法进行标定试验得到了20组标定结果,通过比较标定结果偏差进而验证了这种方法的正确性。最后,本文验证了应用这种标定方法的标定结果并结合一种新的位姿补偿算法后,能极大地提高机器人末端的定位精度。     

一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

基于视觉引导的工业机器人示教编程系统

针对目前工业机器人所采用的编程方式的局限性,提出了基于视觉引导的工业机器人示教编程方式。首先采用奇异值分解(SVD)法建立双目视觉系统与机器人的坐标映射关系,通过双目视觉系统识别和提取特定的示教工具末端位姿,以得到规划机器人运动所需的位姿数据。然后解析机器人控制器可执行文件的格式,将位姿数据转化为机器人可以执行的文件。最后通过试验验证了视觉引导示教方式的可行性,并对示教跟踪精度进行了分析,结果表明,跟踪误差最大为-1.18 mm,均方根误差为0.47 mm。      

无源振动吸附原理与应用

无源振动吸附是最近提出的一种机器人的吸附方式,是爬壁机器人研究的关键技术之一.提出了一种新的无源振动吸附数学模型,设计了振幅和频率可调节的振动吸附实验平台.实验结果证明了无源振动吸附数学模型的正确性;分析了无源振动吸附原理实现稳定吸附的条件,以无源振动吸附原理为指导设计了振动吸附模块并对该模块进行了性能测试,对不同振动参数下吸附模块的抗失效能力进行了实验;实验结果证明这种吸附模块可以作为吸附足模块应用到爬壁机器人上.      

基于深度强化学习的机器人推拨优化装箱问题研究

三维装箱问题是指在满足容积限制、稳定性限制等条件下,将一定数量的物体放入较大容量的箱子中并使空间利用率最大的组合优化问题.三维装箱问题是典型的NP完全问题,通常采用启发式算法规划物体放置的位姿.在使用机器人完成装箱任务时,还要额外考虑机器人操作限制,如机械臂或末端执行器与物体或箱子之间的碰撞、机械臂运动轨迹的规划等,使得部分最优位姿不可行,只能将物体从更高处落下或者将物体放在最优位姿的附近.机器人在抓取、识别和放置时的不确定性也会导致最终放置位置与规划产生偏差.因此,本文提出基于深度强化学习的机器人三维装箱推拨优化方法,以最小化包装箱中物体放置位置的启发式算法分数为目标,通过推拨动作对于已放置的物体位置进行调整、归集,将物体朝角落中压缩,以腾出更多空间,提高装箱空间利用率,减小由于机器人操作不确定性对装箱结果的影响.     

基于深度强化学习的机器人推拨优化装箱问题研究

三维装箱问题是指在满足容积限制、稳定性限制等条件下,将一定数量的物体放入较大容量的箱子中并使空间利用率最大的组合优化问题.三维装箱问题是典型的NP完全问题,通常采用启发式算法规划物体放置的位姿.在使用机器人完成装箱任务时,还要额外考虑机器人操作限制,如机械臂或末端执行器与物体或箱子之间的碰撞、机械臂运动轨迹的规划等,使得部分最优位姿不可行,只能将物体从更高处落下或者将物体放在最优位姿的附近.机器人在抓取、识别和放置时的不确定性也会导致最终放置位置与规划产生偏差.因此,本文提出基于深度强化学习的机器人三维装箱推拨优化方法,以最小化包装箱中物体放置位置的启发式算法分数为目标,通过推拨动作对于已放置的物体位置进行调整、归集,将物体朝角落中压缩,以腾出更多空间,提高装箱空间利用率,减小由于机器人操作不确定性对装箱结果的影响.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

Compensation of base disturbance using optimal trajectory planning of dual-manipulators in a space robot

This paper presents a trajectory planning algorithm for a space robot with dual-manipulators. Here one manipulator of the space robot captures a target, and another manipulator is free. In this case, this study uses one manipulator as the mission manipulator to capture the target, and another as the balance manipulator aiming at the compensation of the pose disturbance. For this method, a novel trajectory planning algorithm applied to the balance manipulator is presented. The trajectory planning problem is transformed into series of problems of the optimal state solution, and then the iterative algorithms for the trajectory planning are designed. In the iterative algorithms, the bias force on the spacecraft base caused by the balance manipulator is used as the compensation force. Then, to calculate the expected compensation force and torque, a pose control law for the spacecraft base is introduced. The expected compensation force and torque provide equality constraints for optimization problems, which implies that the trajectory planning algorithm compensates for not only the disturbance generated by the manipulator’s motion, but also environmental disturbances. This is because the expected compensation force and torque depend on the pose change of the spacecraft base rather than the type of the disturbance. Numerical simulation was carried out to analyze the proposed trajectory planning method. It was observed that the method greatly reduces the disturbance of Manipulator A on the spacecraft base. These results validated the effectiveness of the proposed method for the trajectory planning to make the spacecraft base disturbance up to minimum.     

空间机器人动力学建模与模型验证

建立带任意节机械臂的空间机器人动力学模型,并验证了模型的正确性．采用Kane方程建立了各体间转铰具有三自由度的空间多体系统的动力学模型,利用投影算子将所建立的模型退化为各节机械臂间具有单自由度转铰连接的空间机器人动力学模型,依据动力学三大基本定理,即动量定理、动量矩定理、动能定理设计了模型验证方案,通过数学仿真验证了所建立模型的正确性．     

柔性杆子杆模型参数的遗传算法优化求解

研究了应用实数型的遗传算法解决柔性机器人子杆法建模中,子杆模型参数的优化求解问题.子杆模型参数形成高度非线性的方程组,它的求解是子杆法能否实现的关键.普通的牛顿迭代法及其变形,要求初始向量足够靠近解,一些所谓大范围收敛的算法又有方程组的Jacobian矩阵非奇异等要求,在此都难以应用.本文基于遗传算法的解法可求得模型参数的最优解,实例仿真显示了这一方法的可行性和高效率.      

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

Optimal trajectory planning of free-floating space manipulator using differential evolution algorithm

The existence of the path dependent dynamic singularities limits the volume of available workspace of free-floating space robot and induces enormous joint velocities when such singularities are met. In order to overcome this demerit, this paper presents an optimal joint trajectory planning method using forward kinematics equations of free-floating space robot, while joint motion laws are delineated with application of the concept of reaction null-space. Bézier curve, in conjunction with the null-space column vectors, are applied to describe the joint trajectories. Considering the forward kinematics equations of the free-floating space robot, the trajectory planning issue is consequently transferred to an optimization issue while the control points to construct the Bézier curve are the design variables. A constrained differential evolution (DE) scheme with premature handling strategy is implemented to find the optimal solution of the design variables while specific objectives and imposed constraints are satisfied. Differ from traditional methods, we synthesize null-space and specialized curve to provide a novel viewpoint for trajectory planning of free-floating space robot. Simulation results are presented for trajectory planning of 7 degree-of-freedom (DOF) kinematically redundant manipulator mounted on a free-floating spacecraft and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

Downsizing an orbital space robot: A dynamic system based evaluation

Small space robots have the potential to revolutionise space exploration by facilitating the on-orbit assembly of infrastructure, in shorter time scales, at reduced costs. Their commercial appeal will be further improved if such a system is also capable of performing on-orbit servicing missions, in line with the current drive to limit space debris and prolong the lifetime of satellites already in orbit. Whilst there have been a limited number of successful demonstrations of technologies capable of these on-orbit operations, the systems remain large and bespoke. The recent surge in small satellite technologies is changing the economics of space and in the near future, downsizing a space robot might become be a viable option with a host of benefits. This industry wide shift means some of the technologies for use with a downsized space robot, such as power and communication subsystems, now exist. However, there are still dynamic and control issues that need to be overcome before a downsized space robot can be capable of undertaking useful missions. This paper first outlines these issues, before analyzing the effect of downsizing a system on its operational capability. Therefore presenting the smallest controllable system such that the benefits of a small space robot can be achieved with current technologies. The sizing of the base spacecraft and manipulator are addressed here. The design presented consists of a 3 link, 6 degrees of freedom robotic manipulator mounted on a 12U form factor satellite. The feasibility of this 12U space robot was evaluated in simulation and the in-depth results presented here support the hypothesis that a small space robot is a viable solution for in-orbit operations.     

一种基于激光位移测量的机械臂参数标定方法

针对传统机器人参数标定方法, 通常依赖昂贵设备, 技术实现成本高的问题, 提出一种新型低成本的基于激光位移测量的机器人标定系统, 利用安装于机械臂末端的激光位移计进行与外部参照物立方体的相对位置测量, 并设计实现了六自由度机械臂的运动学参数标定方法。基于单维度位移测量值, 采用平面度约束与平面角度约束共同构建误差函数, 并利用非线性优化方法求得最终的标定结果。在实验系统上进行标定方法的验证, 并与利用激光追踪仪标定的实验结果进行对比。实验数据表明:所提方法在操作简便、成本低廉的同时, 能够获得与使用昂贵的外部测量仪器近似的标定效果。      

一般三支链并联机构正解算法

针对含复合铰链的3RPS并联机构在制造装配中实际结构参数不等于名义结构参数的问题,设计了一种考虑全部结构参数的一般三支链并联正解算法.一般三支链并联机构是3条支链共同支撑1个平台,每个支链结构均为一般5自由度串联机器人,其中只有一个运动副是主动副驱动的三支链并联机构.算法基于对偶四元数和DH方法表达支链方程,该算法考虑了一般三支链并联机构总共78项几何参数.可用于一般三支链并联机构的精度分析、精度综合、精度补偿和精确的运动仿真.算法经过反复计算验证,具有准确、稳定、速度快的特点,并且将3RPS,3_5R,3_RPUR,3_RPRRR等构型统一在一个数学模型中.      

轮式移动机器人运动学逆问题及机体稳定性

移动式机器人可以认为是操作机器人和步行机的组合,它具有更灵活和更大的工作空间.因此移动式机器人适合用于远程操作,无论是在太空还是地面,最通用的移动式机器人是轮式移动式机器人.轮子导致了非完整约束.在本文中,这种非完整约束以及有关的运动几何学得到了分析,在此基础上建立了轮式移动机器人运动学逆问题的两种求解公式.其次,提出了一种控制自运动的方法以解决活动平台的稳定性问题.这种方法通过仿真验证了其正确性.