冗余铺丝机械手自运动流形分析及优化

针对传统位姿分离式铺丝机械手灵活性不足的特点,为了提高航空复合材料铺丝过程的灵活性和避障碍能力,提出一种位姿耦合式冗余铺丝机械手自运动流形的新算法。由于冗余铺丝机械手各关节之间的强耦合性增加了逆解的求解难度,该算法将冗余铺丝机械手的关节逆解分解为已知的Paden-Kahan旋量子问题以及由位置关节组成的特殊旋量子问题,并针对特殊旋量子问题进行求解得到冗余铺丝机械手全部逆解,这样相对于位姿分离式解法有效提高了冗余铺丝机械手逆解的求解效率以及求解直观性。由于冗余铺丝机械手的逆解呈现出流形的结构,所以根据冗余铺丝机械手自运动流形的多维特性,将冗余铺丝机械手的自运动流形分别映射到位置关节空间和姿态关节空间得到其三维仿真曲线。由于冗余铺丝机械手逆解流形中的优化流形在实际控制中更具应用价值,所以在铺丝机械手末端执行器沿芯模轨迹运动速度平稳的前提下为了使机械手各关节速度变化最小,提出以冗余铺丝机械手关节速度组成的约束泛函为目标得到相应的运动学优化流形,并为后续的最优控制奠定了基础。最后以某型号飞机S形进气道为例验证了所提方法的可行性。     

偏置式Delta并联机构的运动学分析

 具有3 个平移自由度的Delta 并联机构因所有运动副均采用转动铰链而愈来愈引起研究者的重视。偏置量的存在虽降低了加工、制造、装配的难度,但其运动学分析的难度大大增加。本文利用消元法对偏置式Delta 并联机构的正逆运动学进行了深入分析,求出了所有数值解。并采用几何图解法验证了位置正逆解的正确性。在运动学分析过程中引入了矢量分析,使得消元法求解过程十分简便。通过偏置式Delta 并联机构的运动学分析可以证明,某些观点并不准确。     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

机器人航天员冗余机械臂自运动优化

为增强机器人航天员的工作能力,机器人航天员的手臂采用七自由度仿人机械臂。根据S-R-S构型七自由度冗余手臂的结构特性,采用臂型角参数化的方法求解运动学。该方法将冗余机械臂的自运动用臂型角来描述,通过对臂型角的二次优化来限制机械臂的自运动。为了使仿人臂处于一种自然的构型和姿态,定义了"偏离中心度"的指标来表示关节偏离中心位置的程度,通过这个评价指标来描述仿人臂的最优位形,从而建立自运动优化函数。采用具有线性减小惯性权重的粒子群优化算法来寻找自运动优化函数的最优解。最后在机器人航天员平台进行验证,可以快速有效地完成冗余手臂自运动优化。     

基于卷积神经网络的冗余机械臂运动学逆解求解

针对7自由度冗余机械臂运动学逆解求解时间过长以及通用性差等问题,通过对LeNet模型进行改进,对卷积核、激活函数、损失函数、优化算法、模型结构与初始参数等进行设计与选择,建立了卷积神经网络模型来进行求解.对卷积神经网络模型进行轨迹跟踪实验验证,结果表明:所得到的机械臂关节角度平滑,轨迹跟踪最大误差小于3 mm;所建立的...     

具有冗余度的三分支空间机器人的运动学分析

基于例如空间站等恶劣的应用环境,研制了一种具有冗余度的三分支空间机器人。该机器人的一个分支的末端可以和基座固联,另外两个分支可以进行控制来完成各种作业。在宇航员不在的情况下,该机器人可以代替宇航员对科学实验载荷进行操作。利用旋量理论对机器人的逆运动学进行了分析,并建立了统一的数学模型给出了其运动学优化、动力学优化以及容错控制的理论基础。基于球腕的封闭解,提出了一个简单的逆运动学模型。最后,通过计算机结果演示验证了所提出逆运动学模型的有效性。     

空间机器人系统的最小燃料重复运动控制

提出了一种空间机器人系统的重复运动控制方案。用一组完整约束来逼近非完整约束,并将该完整约束用于空间机器人逆运动学的计算,这样即可以满足关节空间重复运动的要求,又可以大大减少控制载体运动所需的燃料和避免安装在载体上的反作用轮达到饱和。仿真结果证实了控制方案的有效性     

基于动态逆方法的三维制导律研究

基于零化视线角速率思想,设计了三维非线性动态逆制导律。首先建立了导弹和目标空间运动学模型和相对运动学模型;然后利用动态逆方法,将制导问题转化为角度跟踪控制问题,将导弹弹道倾角和弹道偏角作为反馈项,补偿输入动态项,将非线性控制问题转化为线性化问题进行求解,未出现隐动态,推导出了三维空间动态逆制导指令;最后运用带有延迟环节的三阶自动驾驶仪模型进行了仿真。结果表明,该制导律具有拦截机动目标的能力,且相对于比例导引,拦截时间短,脱靶量小,导弹过载变化平稳。     

一种环境探测球形移动机器人的运动控制

 球形移动机器人具有结构紧凑、运动灵活等特点,在环境探测等应用领域具有独特优势。介绍了一种新型的、带有双摄像头的环境探测球形移动机器人BHQ-2的结构与运动原理,并对其运动控制问题进行了研究。由于该球形机器人属于非完整约束系统,其不存在位置级的运动学逆解,因此从速度级上讨论了它的运动控制问题。基于旋量理论推导了该球形移动机器人的速度雅可比矩阵,采用广义逆的解法求得了它的速度逆解,并采用可控性李代数证明了BHQ-2球形移动机器人系统是满秩的,因此该机器人系统是完全非完整的并且是可控的。基于运动学速度逆解对BHQ-2球形移动机器人进行了直线和圆形运动轨迹的仿真和实验,仿真和实验结果验证了该球形机器人的可控性及速度逆解的正确性。     

基于PSO优化算法的空间机械臂振动抑制研究

针对空间柔性机械臂的末端残余振动抑制问题,提出了一种基于逆运动学分析和粒子群优化算法的柔性机械臂笛卡尔空间轨迹规划和振动抑制的新方法。采用自然坐标法和绝对节点坐标法分别对柔性关节、柔性臂杆进行动力学建模,最终得到全面考虑柔性特性的柔性机械臂动力学模型;针对机械臂末端笛卡尔空间"点到点"和"静止到静止"的规划运动,采用五次多项式函数对末端轨迹进行离散规划,并通过逆运动学理论分析求解得到含冗余参数的关节空间电机转动轨迹;采用粒子群优化算法(PSO),将满足机械臂末端振动最小化的轨迹规划问题转换为待定冗余参数的优化问题,并迭代优化求解该参数;最后以三自由度柔性机械臂开展仿真研究。仿真结果表明,提出的规划方法具有很高的收敛速度,节约了计算时间;能够实现预定的机械臂轨迹规划;对机械臂末端点的残余振动能够进行有效地抑制。     

打磨机操作臂运动学仿真研究

采用D—H方法建立打磨机操作臂的运动学方程,并讨论该操作臂的运动学问题。首次将MATLAB中的Robotics Toolbox命令与编写的MATLAB程序相结合应用于新型打磨机操作臂正运动学、逆运动学仿真,并对正、逆运动学以及空间轨迹进行了实例仿真。通过仿真观察到操作臂各个关节的运动并得到了所需的数据,说明操作臂建模以及所设计参数的合理性和运动算法的正确性,为打磨机的动力学、控制和规划的研究提供了可靠的参数。     

Failure treatment strategy and fault-tolerant path planning of a space manipulator with free-swinging joint failure

Aiming at a space manipulator with free-swinging joint failure, a failure treatment strategy and fault-tolerant path planning method is proposed in this paper. This method can realize failure treatment of a space manipulator with free-swinging joint failure through determination of the optimal locked joint angle and dynamics model reconfiguration. Fault-tolerant path planning is realized by the establishment of the degraded workspace with integrated kinematics performance (DWWIKP) and an improved A-Star (A1) algorithm. This paper has the following contributions. The determination of the optimal locked joint angle can ensure that the manipulator is able to continue follow-up tasks while maximizing the workspace of the manipulator after locking the fault joint. Underactuated control of a high degree-of-freedom (DOF) manipulator can be effectively solved through dynamics model reconfiguration. The analysis process of the dynamics coupling relationship can be applied to cases where the active joint and the passive joint are parallel or perpendicular to each other. The establishment of the DWWIKP can demonstrate the kinematics performance of the manipulator in both joint space and operation space comprehensively. The improved A1 algorithm based on the integrated kinematics performance index (IKPI) can search a fault-tolerant task trajectory that satisfies the requirements of reachability and the overall kinematics performance simultaneously. The method proposed in this paper is verified by a 7-DOF manipulator, and it is available to any DOF manipulator with free-swinging joint failure.     

A modified forward and backward reaching inverse kinematics based incremental control for space manipulators

Forward and backward reaching inverse kinematics (FABRIK) is an efficient two-stage iterative solver for inverse kinematics of spherical-joint manipulator without the calculation of Jacobian matrix. Based on FABRIK, this paper presents an incremental control scheme for a free-floating space manipulator consists of revolute joints and rigid links with the consideration of joint constraints and dynamic coupling effect. Due to the characteristics of FABRIK, it can induce large angular movements on specific joints. Apart from that, FABRIK maps three dimensional (3D) problem into two dimensional (2D) problem by a simple geometric projection. This operation can cause infinite loops in some cases. In order to overcome these issues and apply FABRIK on space manipulators, an increments allocation method is developed to constrain the angular movements as well as to re-orient the end-effector. The manipulator is re-positioned based on the momentum conservation law. Instead of pure target position tracking, the orientation control of the end-effector is also considered. Numerical simulation is performed to testify and demonstrate the effectiveness and reliability of the proposed incremental control approach.     

崎岖地形中关节式月球车姿态估计数值求解方法

 以被动关节式地形自适应月球车为研究对象,融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型,用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法,建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性,其求解模型精度能够满足仿真要求。     

基于ROS的机械臂轨迹规划研究

针对机械臂轨迹规划中算法复杂、开发难度高的技术难点,提出基于一款开源软件平台(Robot Operating System,ROS)为机械臂搭建控制系统的方法作为解决方案.在此基础上,设计了一种基于五次多项式插值的算法来弥补该开源软件平台中关于轨迹规划功能的不足,并通过仿真实验验证了改进后的控制算法可以提高机械臂控制性能.该方法对于实现工程机械臂轨迹规划问题具有普遍的指导意义.     

打磨机操作臂的轨迹规划与仿真

提出了笛卡尔空间大步距插值与关节空间改进的三次样条小步距插值相结合的方法,对打磨机进行了轨迹规划。利用关节空间改进的三次样条插值,消除了启动和停止时的加速度突变。并且通过SimMechanics工具箱建立模型,验证了轨迹规划方法的正确性和有效性,为操作臂的伺服控制提供理论基础。     

虚拟机械臂和ADAMS在空间机械臂研究中的应用

首先阐述了虚拟机械臂的概念。其次利用虚拟机械臂技术和ADAMS软件分析空间机械臂的工作空间、逆运动学问题。最后利用ADAMS/Controls模块将ADAMS的动力学模型与Mat-lab的控制模型结合起来,对空间机械臂进行控制仿真。仿真结果表明,虚拟机械臂技术和AD-AMS的结合使用为空间机械臂的研究带来极大的方便,ADAMS和Matlab联合仿真的分析方法是有效的。     

三种系统可靠性评估方法的比较与分析

故障树、故障Petri网和贝叶斯网络是评估系统可靠性、安全性的三种重要模型。其中,故障树在工程中应用最广,而后两种模型其各自具有不可替代的优点,可以弥补故障树在实际应用中的不足。在介绍三种模型的基础上,通过对故障树向故障Petri网转化方法、故障树向贝叶斯网络转化方法的研究,给出描述三种模型的典型逻辑关系等价结构图的表格,揭示三种模型的内在联系。结合该表,提出故障Petri网向贝叶斯网络的转化方法。同时,利用上述三种模型对导弹发动机故障进行对比分析,结果表明故障Petri网使故障传播过程一目了然,而通过故障Petri网络或故障树转化而来的等价贝叶斯网络可计算出更多定量结果。     

无人直升机着舰模拟台控制系统设计

介绍了无人直升机着舰模拟台的机构运动原理,对其进行了运动学逆解分析,并提出了一种基于PAC可编程自动控制器的数字PID闭环控制方法,充分利用了PAC的运动控制性能和高速传输能力进行6个伺服电动缸的位置控制,使模拟台平稳地模拟舰船的各种运动.