基于RBF网络的机械手臂逆问题的求解

机械手臂的研究,要涉及到机械手运动学逆问题,即由已知机械手末端的位姿求出机械手各个关节的关节量。逆问题的解析法存在着无解的问题,数值解法计算量太大。应用RBF神经网络良好的非线性逼近能力,对机械手臂的运动学逆问题进行非线性逼近,利用训练好的网络可以精确,快速地求出逆问题的解,且在多解情况下可以求得最优解。     

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。     

面向飞机大部件调姿的PPPS机构球铰点中心位置闭环标定方法

PPPS机构球铰点中心位置对飞机大部件调姿精度有重要影响,为了解决当前常用的球铰点中心位置获取方式在精度或效率上的不足,提出一种PPPS调姿机构球铰点中心位置的闭环标定方法。首先,分析了球铰点中心位置误差与运动学逆解时定位器位移求解偏差的关系及大部件位姿变换参数对其的影响;然后,提出了基于关键特性结合奇异值分解几何意义的飞机大部件位姿参数快速求解方法,使位姿参数求解过程更加直观简捷,同时相较于常用的奇异值分解方法在精度上没有损失;利用一次调姿过程前后大部件位姿参数的变化和定位器的位移反馈,结合运动学逆解对球铰点中心的位置进行闭环标定,最后,以某型号飞机垂尾测试件为例验证了所提出方法的正确性和实用性。     

基于并联机构的轻型自主爬行钻铆系统法向调姿算法

法向调姿是飞机部件自动化钻铆的技术基础,是提高制孔质量的技术保证。根据飞机装配自主爬行钻铆系统的功能需求分析,设计了一套基于并联机构法向调姿的轻型自主爬行钻铆系统,采用改进的Grubler-Kutzbach算法对其进行自由度分析,论证该系统符合法向调姿时所需的5自由度运动。搭建了法向检测及法向调姿数学模型,提出了在保证虚拟刀尖点位置不变的情况下末端执行器由初始状态调姿到期望的姿态时并联机构所需调整量的位置逆解算法和算例,并运用Matlab对算法进行算例验证。结果表明:法向调姿位置逆解算法正确,计算过程简单。     

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...     

基于躯体反射的焊接机械手位姿路径规划

针对汽车装配生产线焊接机械手避障等问题,结合人体躯体反射机制等特点,提出基于躯体反射焊接机械手路径规划研究机制。在设定的工作边界下,分析机械手作业所需匹配的自由度数;求解其避障时各关节与机械手末端关节的传动模型;通过非线性规划算法对其最短路径进行优化设计;计算其最短路径下各关节对应的旋转角度和移动距离,并对其稳定性进行分析。根据设定边界条件,机械手末端在障碍物前调整方向,且绕过障碍物运动至目标位置。研究表明:结合非线性规划算法,生物学中的躯体反射机制可有效地寻找机械手最短路径,计算出各关节对应的旋转角度及移动距离。     

基于螺旋理论的机械手最优位姿轨迹规划方法研究

提出了一种在笛卡儿空间实现机器人操作手最优位姿轨迹规划新方法。基于欧拉刚体有限转动定理,根据旋量理论和计算几何中三维直纹面路程参数生成原理,求以等效角位移矢量在空间的运动轨迹形成的直纹曲面面积及其变化率并考虑运动时的灵活性为泛函的泛函极值来实现以路径最短、运动灵活性最好、或动力学性能最优为目标的机器人位置和姿态轨迹优化生成,建立了相应的优化数学模型及求解方法。最后,用该法对三自由度平面机器人操作手进行了仿真计算。     

大型深空测控天线副反射面控制技术

针对大口径、高频段深空测控天线主/副反射面变形引起的天线电性能下降问题,采用副反射面控制技术实现天线的电性能补偿。首先,在分析并联机构数学模型的基础上,结合并联机构坐标系定义,给出六自由度并联机构位姿的正、逆解;其次,根据变形后天线形状采用抛物面拟合法给出副反射面位姿与仰角的关系,这样在天线实时运动过程中,可根据仰角查找出副反射面位姿最佳工作点;最后通过六自由度并联机构正、逆解及控制算法控制副反射面到最佳位置和姿态上。理论分析和工程实践表明,副反射面控制技术通过控制副反射面中心到最佳焦点位姿上,可实现对天线电性能的有效补偿。六自由度并联机构控制具有自身承载力强,位置、姿态控制灵活等特点,适合于大型天线副反射面实时精密控制。     

复合材料铺丝成型中的路径规划

针对复合材料自动铺丝路径规划问题,提出了一种新的基于正交投影的铺丝路径生成算法.首先根据铺丝意图设计空间曲线,然后正交投影到铺丝面上,利用经典的微分几何方法建立特征投影曲线的微分方程,用数值方法求解得到铺丝面上数据点,并用B样条曲线拟合这些点即是铺丝参考线,再对其进行等距得到一条铺丝路径,进而得到所有路径.经过算例进行验证,该算法能实现任意方向的纤维铺放,满足铺丝技术工艺要求.应用本文的研究成果,在CATIA利用CAA中完成了自由曲面的铺丝路径仿真.     

管道曲面构件自动铺丝路径规划

提出了一种基于管道曲面广义螺旋线的铺丝路径生成算法,把芯模曲面的铺丝路径规划问题转化为求解该曲面上的广义螺旋线。利用管道曲面广义螺旋线算法,通过求解初值问题的一阶常微分方程组就可得到精确的位于芯模面上的铺丝路径。该算法具体计算可以利用功能强大的计算软件Matlab中的ODE45函数,该函数是基于自适应的4-5阶龙格-库塔算法,因而可构造具有相对误差以及绝对误差的控制机制的铺丝路径。经过算例验证,该算法操作简单,精度能够满足铺丝技术工艺要求。     

基于一类含极少运动副四支链两转一移三自由度并联机构的五轴混联机器人

首先提出了一类含较少运动副四支链两转一移三自由度（2R1T）并联机构（PMs）2RPU-UPR-RPR和2UPR-RPU-RPR，然后提出了极限约束力螺旋系的概念，分析四支链2R1T并联机构末端的极限约束力螺旋系，对所提出的四支链2R1T并联机构是否同类机构中含运动副最少进行了论证。基于提出的四支链并联机构构造了一种五自由度混联机器人机构，建立了2-RPU-UPR-RPR并联机构的位置反解模型，并将其等效成一个三自由度串联机构RPR，进而对整个混联机器人机构进行了位置正反解分析，建立得到了混联机器人机构位置反解的显式解析表达式，并用加工球面轨迹的算例对所建运动学模型的正确性进行验证。提出的五自由度混联机器人含有极少的运动副，且所有转动自由度均具有连续转轴，能够得到解析的位置模型表达式，很容易实现轨迹规划与运动控制，具有良好的应用前景。     

三自由度3-CS并联平台机构的运动学分析

首先介绍了一种新型的并联机构--三自由度 3-CS并联平台机构的模型。应用螺旋理论分析了该机构的瞬时运动。同时对该机构进行了运动学分析 :给出了操作平台的输出运动参数的 3个运动约束方程和3个独立输出运动参数与 3个独立运动输入参数之间的一阶速度影响系数矩阵,最后给出了求解机构位置正、反解的计算方法。     

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。     

采用冗余驱动提高并联机床精度的研究

 由于并联机构铰链间隙的存在,使并联机构的实际精度和刚性明显减小。本文论述了采用冗余驱动技术改善并联机构精度的研究。首先分析了可以将铰链间隙对并联机构运动误差的影响转化为杆长偏差对机构误差的影响;然后通过分析得出 :由于铰链间隙的影响,并联机构运动空间是空间几个球环的交集,采用数值法,利用球坐标数值积分求出误差空间的体积大小;最后对具有相同结构参数的非冗余和具有冗余驱动的两种并联机构,在同样的工作空间内分别计算了误差分布,得出采用冗余驱动技术可以有效减小因铰链间隙而引起的并联机构运动误差的结论。     

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 s...     

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。     

自由漂浮空间机器人点到点避奇异运动控制方法

针对具有冗余机械臂的自由漂浮空间机器人（Free Floating Space Robot, FFSR）点到点避免奇异性规划和控制问题,提出了一种冗余FFSR的点到点避免奇异控制方法。首先,该方法基于离散状态依赖李卡提方程（DSDRE）控制器设计方法,利用FFSR的动力学和运动学方程实现了FFSR系统方程的伪线性重构;然后,基于伪线性重构系统及DSDRE状态调节器设计方法实现了FFSR的关节角速度和末端位姿的同时跟踪控制;其次,根据跟踪控制器对FFSR广义雅克比矩阵（GJM）行满秩的设计要求,定义FFSR的奇异性判别依据,构造了避奇异约束函数;再次,由于冗余FFSR系统具有多逆运动学解特点,考虑关节角及关节角速度约束,结合避奇异约束函数设计了FFSR的期望轨迹在线规划器,进一步将设计的跟踪控制器与规划器相结合提出了冗余FFSR末端点到点避奇异运动控制方法。最后,为验证所提方法的有效性同时考虑简化计算,采用平面4连杆FFSR模型进行数值仿真,仿真结果表明所提点到点避奇异运动控制方法能够有效实现冗余FFSR系统的点到点避奇异运动。     

柔性冗余度机器人运动灵活性的研究

 对改善柔性冗余度机器人的运动灵活性问题进行了研究。首先分析了机器人的关节速度与其运动灵活性之间的关系;然后利用柔性冗余度机器人的二次优化能力,进一步研究了改善柔性冗余度机器人运动灵活性的问题,通过泰勒级数展开的办法把振动的抑制从加速度级等效转化到速度级,从而可以在速度级上同时实现振动的抑制和灵活性的改善,并给出了在抑振的同时改善机器人运动灵活性的方法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

一种基于旋量理论的自动钻铆机调姿反解算法

运动学反解是实现机床运动控制的技术基础,也是提高运动精度的技术保证。根据飞机装配自动化钻铆的需求分析,以龙门式自动钻铆机为研究对象,基于旋量理论建立其运动学模型。采用Paden-Kalan子问题模型和自动钻铆机上下末端执行器的几何关系相结合的方法,提出了一种基于旋量理论的自动钻铆机运动学反解算法,并在CATIA中的DMU模块下对算法进行算例验证。结果表明:基于旋量理论的运动学反解算法正确,为自动钻铆机的运动控制提供了理论基础。