三连杆平面欠驱动机械臂系统的最优运动规划

研究了在两固定端点之间运动的三连杆平面欠驱动机械臂的最优运动规划问题.该机械臂有两个受驱动的移动关节,而第三个关节是一个既无驱动器又无制动器的被动关节.施加在自由运动连杆上的动力学约束是一个二阶非完整约束.通过坐标和输入变换,系统的状态和输入变量被表示为子状态变量的高阶导数形式;通过这些新的子状态变量,将一个受约束的动力学优化问题变成一个无约束的优化问题.利用变分法原理,推导出满足优化问题的必要条件.给出了PPR型平面欠驱动机械臂最优运动规划的数值算例.      

三自由度平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪控制

研究了三连杆平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪问题.机械臂的第3个关节为被动关节,施加在自由运动连杆上的动力学约束是二阶非完整的.通过全局输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成高阶链式形式.基于后推法(backstepping)的思想推导出保证系统全局渐近收敛于参考轨迹的时变反馈控制规律.后推法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计.数值仿真结果显示系统能稳定地跟踪参考轨迹,也证明了控制器设计是有效的.      

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.      

柔性欠驱动机械臂的内共振现象及应用

针对柔性欠驱动机械臂研究了被动关节处于自由摆动和锁定状态下系统所具有的不同动力学行为.通过对平面二连杆柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析,发现这种多模态非线性动力学系统的内共振对系统振动行为有重要影响.当结构参数满足一定条件时,系统发生的内共振能有效减小机械臂末端的振动.利用这一现象,提出一种柔性欠驱动机械臂的开环振动控制方法,这种方法降低了闭环振动控制方法对驱动元件性能的过高或控制器稳定的困难.以平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了建模和数值计算分析,结果证明了以上方法和结果.     

基于Lyapunov方法的双臂空间机器人避障碍分级非完整运动规划

以Lyapunov方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的双臂空间机器人系统的避障碍分级非完整运动规划问题.该方法充分利用系统的非完整动力学性质,以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程;并在Lyapunov函数的选取上采用两级采取方式,即初级Lyapunov函数确保双臂空间机器人的两个末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保两个末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使双臂空间机器人的两个末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域.系统数值仿真,证明了方法的有效性.     

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.      

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

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.      

曲面幕墙清洁机器人攀爬技术

针对国家大剧院超椭球外表面的清洗问题,设计了一种新型自攀爬机器人.机器人具有全方位运动能力,相对于擦洗运动而言,攀爬运动是影响机器人作业安全性的主要因素.分析了攀爬运动的运动学模型,利用拉格朗日方法对该状态下的动力学问题进行了研究,并针对攀爬运动的特殊性,对机器人前后俯仰支撑控制问题进行分析,结合建筑物表面特点并依靠仿真,得到机器人作业过程中俯仰机构受力分布曲线,为机器人攀爬支撑力的切换提供了理论依据.      

一种球形移动机器人的运动性能分析

球形移动机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中应用,在此类的环境中,机器人的运动性能是决定机器人能否顺利完成预定任务的关键.介绍了BHQ-1G型球形移动机器人的结构,采用几何法和拉格朗日方程建立了该球形移动机器人的模型,并对它的直线运动、爬坡能力、越障、转弯半径等运动性能进行了具体的分析,证明了该设计的可行性并确定了影响该机器人运动性能的参数.该分析结果可用于BHQ-1G机器人的优化设计和样机研制.     

水上行走机器人腿部静力学分析

水上行走机器人仿生水黾,利用腿部产生的表面张力在液体表面站立和行走.通过静力学分析可计算机器人载重能力,并给出腿部形状设计准则.建立了水上行走机器人支撑腿的静力学模型,分析了表面张力最大值条件即水面打破条件,提出了腿部支撑力及其最大允许入水深度的计算方法.采用该方法,使用Matlab计算得到了几种不同材料的表面张力与接触角关系曲线,计算了几种材料支撑腿的支撑力及其允许入水深度的最大值,并通过与实验数据相比较,验证了计算方法和结果的正确性.     

影响负压爬壁机器人性能的关键因素分析

介绍了一种基于负压吸附方式的小型爬壁机器人.详细介绍了机器人的负压发生装置,并根据负压控制过程中经历的负压形成和负压保持两个过程定性的分析了风机转速与负压值之间的关系,同时找到了密封气囊与壁面之间的间隙高度是影响机器人吸附稳定性的关键因素.在满足机器人稳定吸附的前提下,从能耗的角度分析了机器人密封气囊和驱动轮之间的压力分配关系,得到负压值、压力系数、机器人质量、密封气囊摩擦系数以及驱动轮摩擦系数之间的关系.从转弯性能的角度分析了机器人的移动机构.最后通过实验验证以上理论推导.     

微创外科机器人灵活工作空间分析

微创手术给外科机器人提出了较高的灵活性要求,但是机器人很难具有完全灵 活的工作空间.首先提出象限分割的方法,即把手术工作空间分割为8个象限,确定微创外 科机器人所需灵活工作空间只需要为手术工作空间的1/8.然后,给出微创外科机器人灵活 工作空间与工作空间之间的解析关系, 从而确定机器人的运动学参数.在此基础上,对自行 设计的微创外科机器人结构进行了运动学参数优化设计.这种方法有效降低了微创外科机器 人的灵活性要求,解决了机器人结构尺寸与灵活性之间的矛盾.      

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

基于模糊故障树法的清洗机器人安全性研究

提出用故障树形图分析法来分析机器人安全性.首先根据机器人设计方案及失效分析建立故障树模型,用故障树分析法对此模型进行定性和定量分析.针对系统底事件和中间事件发生概率情况获取不足的现状,将模糊集理论引入故障树分析法,将底事件(基本事件)发生概率描述为模糊数,通过模糊运算规则估计出整个系统的故障率.      

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.     

绳驱动并联机器人张力约束工作空间分析

绳驱动三自由度机器人可以实现空间的自由转动.由于绳索只可拉伸不可压缩的单向特性,研究驱动绳索张力对机器人的控制具有重要意义.运用几何和矩阵的方法可以分析绳索的张力分配情况;在存在张力约束的条件下,提出张力系数作为评价张力分配优劣状况的指标,通过计算可以得到张力系数分布图,从而对机器人工作空间有直观的认识,进而提出有效的张力优化算法;通过对最小预紧力影响因素及选取方法的讨论,可以得到动态最小预紧力实时计算公式,保证绳索时刻处于张紧状态;通过样机的力检测系统张力反馈的实验可以验证理论推导.通过对以上几部分的分析和研究,可以对四绳驱动三自由度机器人的张力问题有综合全面的认识.