一种解析和数值相结合的机器人逆解算法

针对不存在解析逆运动学解的机器人结构,提出一种解析与数值相结合的求解算法.将传统的算法简化为寻找一个合适的目标函数,对一维关节变量进行迭代求解,其余关节变量可以用解析式求得,从而将逆运动学的多变量迭代求解问题简化为一维变量迭代求解.利用该算法对一种不存在解析逆解的5自由度机器人进行解算,耗时不足0.3ms,计算速度优于传统的算法.这种算法的实时性和准确性满足了机器人实时控制的要求,不需要进行正运动学计算,可以解决大多数关节正交结构的机器人逆运动学问题.      

蟑螂机器人崎岖路面行走算法设计与实现

针对直接串联式结构承载能力较弱的问题,设计了一种基于双四连杆构型的仿生蟑螂机器人,该构型运动灵活,承载能力强且可以实现解耦控制.建立了该构型的数学模型,进行运动学分析,求解出机器人的正解以及逆解.采用压力感应电阻(FSR,Force Sensing Resistor)以及光电开关联合检测蟑螂机器人行走在崎岖路面时足端是否落地的信息,而且提出一种新的足端轨迹规划实现蟑螂机器人在崎岖路面的快速行走,综合之前的运动学计算,设计了可用来控制蟑螂机器人在崎岖路面行走的算法,实验验证该算法可以控制机器人在崎岖路面以10 cm/s的速度行走.      

Stewart台体并联机器人位置正解

为获得Stewart台体并联机器人位置正解的解析解,使用分次字典序Groebner基和Sylvester结式相结合的代数方法对该问题进行研究.利用计算代数中的分次字典序Groebner基算法,计算该机器人位置正解封闭数学模型的分次字典序Groebner基;从得出的51个基中选取20个基,构造20阶Sylvester结式,分析符号形式方程组的变量次数,可以直接得出该机器人位置正解一元高次方程的次数为40且最多有40组解的结论,其结果与前人的完全一致,但结式的尺寸却小得多.为了对结果进行验证,使用同伦连续法对同一个数字算例进行计算,两种方法得到结果一致.为并联机构位置正解的研究提供了一种新的有效算法.     

骑座相贯线焊接机器人运动学分析及仿真

针对复杂相贯线曲线机器人自动焊接的特殊要求,开发了骑座式相贯线焊接机器人,并通过对机器人结构进行合理简化建立了机器人的D-H连杆坐标系.根据D-H连杆坐标系,推导了机器人的运动学正解方程和逆解方程,并结合机器人关节变量的取值范围,确定了逆解的唯一性.然后通过Matlab仿真软件对机器人的运动学进行了仿真,结果表明所得的机器人正、逆运动学方程完全正确.仿真误差表明所得结果完全可以满足工程需要,为相贯线焊接机器人的轨迹控制和离线编程提供了依据和算法支持.      

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.      

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

线驱动拟人臂机器人机构与前向运动学分析

为了克服手臂上的安装电机由于自重对拟人臂机器人承载能力和运动灵活性造成的影响,基于最新人臂仿生和并联机器人研究的成果,提出了一种用线驱动的并联机构替代手臂的肩、腕关节的串并联结构,并将驱动电机安放在基座上.讨论了从各个关节到基座的驱动绳索的走线方式及关节之间的耦合情况,在此基础上对前向运动学进行了分析,给出了末端相对于基础坐标系的位姿态正解.由给出的两组数值解实例,在ADAMS环境下进行了仿真,验证了算法的正确性.      

基于虚拟现实Stewart平台遥操作系统

针对基于虚拟现实的遥操作Stewart平台设计了虚拟系统.介绍了虚拟系统的驱动算法的原理.该算法首先建立合适的坐标系,通过一系列的空间坐标变换,解决了平台和6根杆的运动一致问题.采用基于L-M(Levenberg-Marquardt)算法的BP(Backpropagation Algorithm)神经网络来解决平台位置正解的问题,经过检验,证明该网络具有很好的泛化性能.采用了层次化的包围盒技术,每个节点建立轴向包围盒,来解决虚拟环境中的虚拟模型的碰撞检测问题.设计了一种简单的控制策略来解决大时延的稳定性问题.在机器人本地控制器的设计中采用离散化的微分跟踪器来保证机器人本地控制的稳定性和良好的动态性能,最后通过试验验证了本系统的有效性.      

9自由度混联微创外科机器人的正反解

针对北京航空航天大学机器人研究所最新开发的用于胸腹部冷冻穿刺手术的9自由度"5R+4T"混联机器人,基于指数积公式,利用反变换法和逆矩阵的特性,提出了一种在单约束条件下,得到该机器人解析形式正反解的新算法.通过数值算例验证了正反解的互推性,即算法的有效性,并经过对算例的分析给出了修正方案,扩大了算法的适用范围.该方法克服了因为混联机器人自由度多、结构复杂而带来的难以完成正反解计算的困难,为多自由度混联机器人的运动学求解提供了一种新的思路.      

CT导航混联医疗机器人灵活性研究

总结了目前医疗机器人灵活性的分析方法,基于服务球的数值法,对5R串联机器人和4H并联机器人进行了灵活度计算,得到了各自的任务灵活度.针对9-DOF冗余度串并混联医疗机器人运动学的复杂性以及难以获得逆解的解析解的状况,给出了串联部分、并联部分的位移流形,推导了混联机器人的位移流形.提出了混联机器人的灵活性分析方法,即基于位移流形(黎曼流形)的方法,并定义了混联机器人灵活度的通用解析表达式.基于黎曼曲面外接椭球面的面积计算,得到混联机器人的灵活度超过了CT导航手术所需的灵活度,满足手术要求,为微创外科混联机器人灵活性分析和度量提供了新的参考.      

被动冗余度空间机器人动力学控制

研究了被动冗余度空间站机器人的动力学控制问题，包括非完整系统的运动规划，渐进稳定的动力学控制规律；在动力学控制中，利用被动冗余度机器人“非完整自运动”的运动学优化方法完成机器人的动力学控制，构造的动力学闭环控制律保证机器人运动过程中末端跟踪期望的运动轨迹，通过三连杆空间站机器人模型进行了仿真，结果证明了得到的结论。     

适合多种机床结构的数控系统5坐标变换库

研究了适合多种结构布局形式的统一坐标变换方法,开发出数控系统5坐标变换函数库,并作为坐标变换控制模块集成到数控系统中.分析了5坐标数控机床运动学模型,归纳出12种5坐标数控机床结构布局,并推导了对应的坐标变换数学算法.通过结构分析和数学变换将12种算法扩展归纳到3类基础算法,并基于3类基础算法开发出适合多种机床结构布局的5坐标变换库.利用机床三维仿真系统验证了5坐标变换库的可行性,并将该坐标变换库集成到北京航空航天大学开发的CH-2010开放式数控系统中.     

基于μc/os-Ⅱ嵌入式数控系统研制

介绍了嵌入式数控系统的结构及其组成.系统硬件平台采用嵌入式微控制器ARM(Advanced RISC Machines)和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays),软件平台采用μc/os-Ⅱ实时操作系统.给出了该系统的硬件结构.根据数控系统的软件需求,给出了系统的软件结构,系统的模块,任务以及任务的优先级和周期.同时给出了实现系统的一些关键技术.在嵌入式实时操作系统μc/os-Ⅱ上实现了该系统,在数控机床上进行了加工试验、环境适应能力测试以及静电放电抗干扰试验,试验表明系统稳定可靠.     

插补前S加减速在CNC前瞻中的应用

计算机数字控制系统(CNC)中的速度前瞻处理可以在不影响插补轨迹精度的前提下极大地提高插补效率.针对前瞻算法中速度处理这一核心问题,分直线转接和圆弧转接2种情况分别建立了插补几何元素转接矢量夹角模型,并给出了一种基于插补前S型加减速的CNC速度前瞻算法.该算法根据设定的最大前瞻段数以及实际插补轨迹的几何特性,能够自适应确定轨迹的转接速度近似最优解,从而实现路径段之间进给速度的高速衔接.S型加减速由于在加速阶段和减速阶段均引入了加速度衰减,使得整个插补过程具有了高度的柔性.因此结合前瞻算法和S型加减速算法在高速加工时速度处理的优势,提出并实现了一种基于插补前S型加减速的CNC前瞻算法.该算法已经在工程实际中得到了验证.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.