柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法

由于强非线性、强耦合和强时变等特征,柔性空间机器人的稳定精细控制问题一直是一个重大挑战。轻质小型化机器人受空间及重量限制,其关节柔性通常不可忽略,这部分柔性主要是由谐波减速器和力矩传感器的柔性造成的。传统的运动学控制在空载时能保持稳定,但是对大负载、快速运动时的适应性差,严重时机械臂抖动剧烈甚至发散。针对以上特征,提出了一种基于非线性干扰观测器和动力学极点配置的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法。仿真实验证明,该方法可以有效地抑制柔性激振,保证响应的快速性和准确性,同时有较好的鲁棒性,能够适应不同类型扰动的影响和末端环境柔顺控制的要求,对工程应用具有一定的参考意义。     

一个超冗余度移动操作臂机器人系统的实现与运动控制

冗余度或超冗余度移动操作臂机器人可在空间站上为宇航员提供很大的帮助.对一个超冗余度移动操作臂机器人系统的设计和实现作了介绍,这个系统由一个8自由度的模块机器人和一个1自由度的电机驱动的导轨组成;对该系统的逆运动学解法进行了讨论,提出了一种基于避关节极限与位形优化的简化逆运动学控制方法;并提供了仿真和实验结果.     

飞机起落架全方位移动装配机器人设计与研究

起落架作为支撑飞机重量、吸收撞击能量的重要部件,在装配和试验过程中面临着装配空间狭小、装配精度高等特殊要求,急需研制一款具备可移动、多自由度调节功能的柔性装配平台。通过对起落架装配需求进行分析,设计出基于Mecanum轮的全方位移动和基于3–RPS的并联机构组成的6自由度装配机器人,详细介绍了装配机器人的结构组成、控制方法,对机器人运动学特性进行分析获得运动学模型,并进行运动学参数设置及精度分析。通过对起落架装配机器人精度测试以及实物装配,验证该机器人的功能和性能满足使用要求。     

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。     

大臂展空间机械臂运动学参数精确标定

大臂展空间机械臂,由于臂杆的几何参数误差及柔性等因素将会导致其末端定位产生很大误差,然而在某些空间作业时对机械臂末端定位精度要求较高,为了获得其准确的运动学参数,提出了一种线性标定机器人运动学参数的简便方法。以一个7自由度空间机械臂为研究对象,采用D-H建模方法建立了机器人运动学模型,基于该模型建立了机器人运动学误差模型,最后通过计算机器人末端的位姿误差,标定了该机器人的运动学参数。仿真实验表明该标定方法有较高的精度,并且该方法操作简单、便于实际应用。     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

柔性冗余度机器人改善频率特性的研究

对改善柔性冗余度机器人的频率特性进行了研究。首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人固有频率的结论。然后分析了机器人的自运动与关节运动参数之间的关系。在此基础上,提出了在保证末端名义运动不变的情况下通过规划柔性冗余度机器人的自运动调整关节运动参数来提高系统的固有频率,以避开动力奇异并改善机器人动态性能的方法,此外给出了相应的优化算法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

多机器人协调操作系统实现飞机大型部件对接的轨迹规划

研究多机器人协调操作系统在飞机大型部件对接中的应用,提出了基于多个三坐标直角机器人协调操作的大型部件找正、对接系统的轨迹规划方法.根据大型部件对接的工艺特点,建立了对接部件和机器人个体之间的坐标转换关系.在机器人系统的运动学模型以及逆运动学算法的基础上,利用多机器人协调操作系统的冗余驱动特性,综合考虑载荷约束、驱动力约束和驱动速度约束等因素,制定大型部件找正、对接过程中的机器人的轨迹规划策略.     

一种空间吸附式爬行机器人设计及其步态规划

针对可在空间飞行器表面吸附爬行和自主可控飞行的空间机器人爬行过程进行控制与仿真问题,在某系统方案和机构设计基础上,基于机器人行走稳定裕度的要求,设计了一种稳定快速爬行的步态,对其足端步态运动轨迹采用三次多项式插值的方法进行规划,并通过逆运动学求解出各个关节的运动轨迹,基于Adams软件对机器人进行动力学建模及仿真,结果表明在空间零重力环境下,四足吸附式爬行机器人能够快速稳定的行走,验证其机构设计和步态规划的合理性。     

三自由度柔性并联机器人运动参数检测系统开发

以线尺传感器为采集单元,以RTLinux为开发平台,建立了平面三自由度柔性并联机器人运动参数检测系统,实现了机器人动平台运动位姿的实时获取。设计并完成了柔性系统下的高速、高加速轨迹实验,通过实验结果与仿真结果的对比,表明该检测系统实时性强,可靠性高,可以为平面三自由度柔性并联机器人全闭环实时控制提供支持。     

Kinematics-based four-state trajectory tracking control of a spherical mobile robot driven by a 2-DOF pendulum

Spherical mobile robot has compact structure, remarkable stability, and flexible motion,which make it have many advantages over traditional mobile robots when applied in those unmanned environments, such as outer planets. However, spherical mobile robot is a special highly under-actuated nonholonomic system, which cannot be transformed to the classic chained form. At present, there has not been a kinematics-based trajectory tracking controller which could track both the position states and the attitude states of a spherical mobile robot. In this paper, the four-state(two position states and two attitude states) trajectory tracking control of a type of spherical mobile robot driven by a 2-DOF pendulum was studied. A controller based on the shunting model of neurodynamics and the kinematic model was deduced, and its stability was demonstrated with Lyapunov's direct method. The control priorities of the four states were allocated according to the magnification of each state tracking error in order to firstly ensure the correct tracking of the position states. The outputs(motor speeds) of the controller were regulated according to the maximum speeds and the maximum accelerations of the actuation motors in order to solve the speed jump problem caused by initial state errors, and continuous and bounded outputs were obtained. The effectiveness including the anti-interference ability of the proposed trajectory tracking controller was verified through MATLAB simulations.     

轮腿式火星探测机器人的多目标协同控制

火星探测任务要求机器人具有对未知的不规则地形的自适应能力和动态稳定性。针对轮腿式火星探测机器人,提出了基于运动学反解模型、车体姿态和轮壤接触力的多目标协同控制策略。通过车体姿态调整运动学建模、一阶低通滤波及腿部阻抗控制算法和基于腿部运动危险系数的重心高度调整算法,实现了车体姿态的跟踪控制、轮壤恒力接触控制和重心最优高度控制,提升了轮腿机器人在非结构地形中的自适应能力、运动稳定性及腿部运动空间的安全性。在MATLAB和UG中建立联合仿真模型,验证了控制策略的有效性。     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

Vibration Reduction of Open-chain Flexible Manipulators by Optimizing Independent Motions of Branch Links

In order to suppress vibration in flexible manipulators, a new type of manipulator mechanism with controllable local degrees of freedom is proposed. This mechanism consists of a main chain and some branch links. The main chain is of a flexible open-chain configuration with an end-effector installed at its tip, and the rigid branch links are able to perform active movements. It is proved by kinematics and dynamic analysis that, the branch links bear no direct kinematic relation to the main chain, but their independent motions can strongly affect the dynamic behavior and performance of the flexible manipulator. Then comes a new idea of suppressing vibration, in which independent motions of the branch links are used to suppress the undesired vibration of the flexible main chain through dynamic coupling. On this basis, an optimal method for reducing vibration of flexible manipulators is proposed. Finally, the effectiveness of this method is verified by numerical simulations.     

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。     

飞机表面爬行机器人轨迹跟踪控制方法研究

针对飞机蒙皮铆钉缺陷无损检测移动机器人进行了运动学和动力学建模,并且基于该移动机器人的模型,设计了双闭环轨迹线性化控制器(trajectory linearization control,TLC)。同时设计了逻辑控制算法保证机器人运动轴在达到完整约束临界点时进行状态切换。该方法解决了在飞机特殊表面环境下,对基于X-Y平台的新型爬行机器人如何完成轨迹跟踪控制的问题。实验结果表明,该控制器具有较好的动态性能,能够在满足系统实时性要求的前提下实现爬行机器人距离精确性和速度稳定性控制。     

面向飞机装配的机器人定位误差和残差补偿

工业机器人由于其高柔性和低成本而被越来越多地应用到飞机自动钻铆系统中,使用精度补偿有效地提高机器人的绝对定位精度是保证产品质量的关键,为进一步提高机器人末端定位精度,提出了基于误差相似度的残差补偿方法。首先使用基于运动学参数标定的方法辨识出机器人的几何参数误差,再利用基于误差相似度的方法对残余误差进行估计,实现对机器人的误差和残差的补偿。以工业机器人KUKA KR-30 HA为对象所进行的试验验证表明,机器人的绝对定位精度平均值由补偿前的0.879mm经过定位误差补偿后提高到0.194mm,经过残差补偿后进一步提高到0.141mm,经过定位误差和残差补偿后的机器人最大误差由1.492mm降低为0.296mm,最大绝对定位精度误差降低了80.16%。该方法能有效地补偿参数辨识后遗留的残差,进一步提高机器人的定位精度。