一种基于指数积公式的空间机械臂自标定方法

为了克服发射过程和在轨极端温度环境对空间机械臂末端位姿精度的影响,提出了一种基于指数积（POE）公式的空间机械臂运动学在轨自标定方法。该方法使用空间机械臂末端双目空间相机和棋盘式标定板测量空间机械臂末端位姿实际值。根据关节旋量理论值和实际值之间的伴随变换关系建立了空间机械臂实际运动学模型,对运动学模型取微分建立了线性化的运动学误差模型,给出了基于最小二乘法的运动学标定模型。进行了7自由度空间机械臂运动学自标定仿真,仿真结果表明运动学标定过程能快速收敛到稳定值,标定后空间机械臂末端位姿精度有明显提高。      

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.     

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

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.     

基于旋量理论及距离误差的机械臂标定新方法

为提高机械臂的定位及定姿精度,必须对其进行标定.标定能否达到预期目的,主要取决于所采用的运动学模型及消除参数识别过程中外来误差的影响.分析了基于不同运动学模型时机械臂的初始位姿误差对标定结果的影响.提出了一种结合旋量理论与距离模型的标定用数学模型.该模型考虑了机械臂初始位姿误差对标定的影响,解决了用D-H参数建模存在的弊端,同时能消除因机械臂坐标系统与测量设备坐标系统之间转换所带来的误差,克服了测量技术上的困难.仿真计算验证了这种新标定数学模型的可行性.      

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动 拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳 驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传 动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系 进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相 应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究. 仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的 误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器 人自重过大带来的负面影响.      

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

机械臂运动学标定技术发展概况

机械臂运动学标定对提高机械臂的绝对定位精度具有重要意义,探究高效的机械臂标定方法已成为机器人领域研究的热点。现有标定方法可分类为基于模型的参数运动学标定、自标定和无参数运动学标定三类,对基于模型的参数运动学标定,从运动学建模、末端执行器测量、参数辨识和误差补偿四个方面详细介绍了其研究现状。对各种标定方法进行了比较,并分析了其优缺点。最后对机械臂运动学标定中存在的问题进行了分析,展望了标定技术的未来发展趋势。     

基于遗传算法的护理机器人逆运动学求解方法

护理机器人结构复杂、耦合度高且机械臂不满足PIEPER准则,标准遗传算法难以精准地对其逆运动学进行求解,以至于机器人手臂末端位姿误差较大。针对标准遗传算法求解过程中早熟和局部搜索能力差的问题,采用等分区间替代随机命令产生的初始种群个体,划分5个小区间以提高种群个体的分散程度和搜索效率;在适应度函数中引入可变权因子,将位置误差的变化值作为可变权因子的变量,进化过程中可变权因子在0.5～1.0之间变化,且实时有效分配位置和姿态误差权重,确保解的收敛。通过仿真和实验验证,结果表明：改进后的遗传算法能够大幅提升收敛精度和速度,并且可以同时实现对位置和姿态的精确控制,极大地减小了机器人手臂的位姿误差。     

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。     

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,Degree of Freedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.     

3PRS/UPS冗余驱动并联机器人刚度特性分布

设计提出了一种采用冗余驱动的3PRS/UPS三自由度并联机器人,并建立分析其机构模型.基于螺旋理论,对并联机器人进行运动学分析,通过分别针对机构的驱动和约束建立了雅可比矩阵,最后整合建立了包含冗余驱动在内的全雅可比矩阵.利用虚功原理,结合并联机器人驱动副和约束副的柔度影响,推导得出了机构全刚度矩阵.同时,分析了机构在给定静载荷条件下的变形情况,总结出机构的空间变形分布规律.使用刚度矩阵的最小、最大特征值和运动刚度指标（KSI,Kinematic Stiffness Index）为机构刚度评价指标,对比和分析了引入冗余驱动前后对并联机器人刚度特性分布的影响,得出冗余驱动支链的引入可提高并联机器人特定方向的刚度和改善刚度分布的结论,为冗余驱动并联机器人优化设计和开发应用奠定基础.      

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.      

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.     

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.     

基于可操作度的单冗余度机器人容错性指标

当冗余度机器人关节出现故障时,必将影响其灵活性.即使正常操作时具有较高的灵活性,如果关节出现故障也可能导致雅可比矩阵奇异,致使机器人不能沿任意方向运动.针对单冗余度机器人出现一个关节故障的情形,用可操作度分析此类机器人的容错性,并提出新的运动学和动力学容错性评价指标,所给指标计算量小、易于在线实时运算,最后给出优化算例,证实了所给评价指标的有效性.