机械臂的位姿分离求逆和改进RRT-connect算法研究

针对机械臂逆解求取过程中存在大量矩阵变换、计算成本高的问题,采用位姿分离法对逆运动学求解过程进行改进,并提出基于自适应步长的RRT-connect路径规划算法。首先建立六自由度机械臂连杆坐标系模型,采用Standard Denavit-Hartenberg(D-H)方法对机械臂进行正运动学分析,得到机械臂末端执行器位姿相对于基座的齐次变换矩阵。然后引入位姿分离法改进了机械臂的逆运动学求解方法,将机械臂运动学逆解分为位置逆解和姿态逆解两部分,分别用几何法和解析法进行求解,减少了整体计算量。再者提出基于自适应步长的改进RRT-connect路径规划算法,解决了扩展速度慢的问题。最后通过仿真验证所提出方法的正确性和有效性。

基于位姿分离的机械臂解析求逆优化算法

针对6R机械臂逆向运动学求解过程复杂繁琐、求解精度不理想的问题,提出一种基于位姿分离的解析求逆优化算法.利用改进型D-H参数法建立机械臂的运动学模型,通过连杆变换矩阵推导出机械臂的正向运动学方程,利用位姿分离思想进行逆解优化算法设计,利用蒙特卡洛法分析机械臂的工作空间,运用Matlab Robotics工具箱验证改进算法的有效性.结果表明:该改进算法具有较高的求解精度,与现有解析优化算法相比,大幅度简化了求解过程,提高了运算效率.

基于位姿分离法的ABB机器人IRB1200运动学分析

以ABB公司的IRB1200机器人为对象,对其运动学和工作空间进行研究。首先,简化机器人的实体结构,得到其运动机构模型,对其进行正运动学分析;然后,采用位姿分离的方法推导其逆运动学解析表达式,并对逆解过程中涉及的奇异点做了严谨的分析;最后,在Matlab中,对正逆运动学模型进行仿真运算,并采用蒙特卡洛法分析机器人的工作空间,绘制工作空间的点云图;位姿分离法完全避免了复杂的4阶齐次变换矩阵求逆运算,简单高效,有利于机器人的实时控制。

基于位姿分离法的模块化机械臂逆运动学分析

分析了7自由度冗余机械臂的运动学正逆解,采用Denavit-Hartenberg(D-H)坐标法进行正运动学建模,获得机械臂末端相对于基座的空间位姿;采用位姿分离法进行逆运动学建模.求位置逆解时,由约束条件分别获得前4个关节角位移解析解;求姿态逆解时,采用欧拉角表示机械臂末端相对于基座的姿态,减少了计算量.以SCHUNK模块化7自由度机械臂为例,进行了运动学正逆解分析,并基于虚拟样机进行了仿真验证.

基于位姿分离算法的冗余机器人逆运动学分析

针对冗余机器人逆运动学求解复杂、实时性差的缺点,提出一种基于冗余机器人位姿分离的逆运动学求解算法。该算法以腕点矢量为目标,计算冗余机器人位置关节的逆解及位置关节对腕关节的误差补偿,得出腕关节逆运动学解。通过建立基于运动轨迹的逆运动学约束泛函,对冗余机器人的逆解进行了优化。得到机器人关节运动特性随约束泛函的变化曲线以及关节逆解的优化解流形。

一种可实现位姿分离的局部解耦混联机械操作手

混联操作手兼具并联特征操作手的高承载能力及串联特征操作手的大工作空间,具有广阔的工程应用前景。以具有解耦特征的RPS并联结构为模块,构建了串并混联结构的局部解耦混联操作手;通过将驱动链分布于不同平台,得到封闭的位置正解;建立虚拟样机,实现了独立的位置运动及姿态运动。理论结果与虚拟样机的运动模拟效果一致,驱动器的位移数据点变化过程比较平稳,表明机械手可实现复杂的操作运动。该方法有效地降低了串并混联操作手的运动惯性,为操作手的应用提供了重要的理论依据。

冗余铺放机器人的自运动流形及逆解优化研究

针对用于复合材料铺放成型的八自由度冗余机器人系统的逆运动学问题,提出了一种求解其自运动流形及逆解优化的算法。首先,基于位姿分离思想定义了位置子流形和姿态子流形,采用几何求解法得到了基于自运动变量的参数化方程形式的位置子流形和姿态子流形;然后,根据机器人的关节约束和实际铺放工艺过程,对给定的铺放位姿进行了位置子流形和姿态子流形配对的仿真,并用流形中若干组逆解通过正向运动学得到了末端位姿矩阵(其结果均与给定位姿相符,从而验证了自运动流形求解过程的正确性);最后,在完成自运动流形求解的基础上,从机械臂运动的平滑性和关节运动变化量两个方面出发,提出了一种基于自运动变量参数化方程的全局优化目标函数;以飞机尾椎模型为实验研究对象,对其中一条铺放路径进行了逆解全局优化仿真,得到了自运动变量和机器人各关节角在铺放路径上的优化曲线,将仿真结果与一种多目标优化算法进行了比较。研究结果表明:针对相同的铺放路径,采用上述优化算法后关节角变化总量降低了11.25%;该算法能够有效地求解八自由度冗余铺放机器人系统的自运动流形,基于全局优化目标函数,其能够在自运动流形中寻找出自运动变量和机器人各关节的最优解。该算法同样也适用于其他位姿解耦的冗余机器人系统逆解问题的求解。

锚杆钻车串并联冗余机械臂的运动学研究

锚杆钻车机械臂的自动定位打孔可进一步提高巷道支护工艺的自动化作业程度。本文针对某锚杆钻车的串并联混合8自由度冗余机械臂的逆运动学问题展开研究。该机械臂有两大特点,一是串并联混合机构,臂在整体上为串联开链机构,但其大臂存在一个四边形的并联结构;二是冗余自由度,导致逆运动学存在无穷解。针对前者,为便于使用D-H法建立运动学模型,推导了并联结构的运动表达式,将其用一个等效的串联结构来替代。针对后者,详细分析了机械臂的结构与实际工况,设置了逆解的3个条件:1)为保证推进器获得最大打孔行程,设置定位油缸为最大伸长量;2)根据不同类型锚杆孔设定大臂四边形形状,可实现姿态补偿;3)优先使用中臂进行位置补偿,以尽量减少大臂的运动。在以上约束下提出基于位姿分离的逆运动学求解方案,得到的逆解结果充分利用了机械臂的设计特点,且兼顾人工操作过程的直观、方便性。为验证算法,针对一个矩形巷道断面的锚杆孔设计,通过计算机进行了逆解计算,计算精度与速度均有满意的结果;将算法部署到PLC上,在模拟巷道自动打孔试验,结果满足工程要求。

基于6DOF机器人的能耗最优轨迹规划

为研究MOTOMAN-UP6机器人的运动学和轨迹规划,该文采用标准D-H建模方法对该机器人进行运动学建模。基于该机器人的特性,采用了一种可易编程的位姿分离法进行逆运动学分析;因逆解的不唯一性,为使得轨迹的能耗最优,提出关节加权系数对轨迹点之间的关节变量进行处理后,得到最优轨迹;同时为减少机器人在运行中的冲击和振动,采用七次多项式对最优轨迹进行轨迹规划,得到了机器人各关节下的位移、速度、加速度、冲击的仿真曲线,曲线光滑且连续,同时也表明了在关节冲击方面优于五次多项式的规划。

木板抓取冗余机械臂逆运动学求解

针对木板抓取冗余机械臂逆运动学求解困难的问题,基于七自由度机械臂的几何构型与向量特性,引入机械臂自运动结合位姿分离法求解逆运动学。首先由机械臂关节末端位置向量解得关节变量4和臂型参考平面时的前三个关节变量,再引入臂型角对关节0-3的姿态矩阵进行Rodrigues变换求解前3个关节变量;然后通过机械臂关节末端姿态矩阵求解后3个关节变量,并对该机械臂奇异点进行分析;最后以加权构型空间距离函数最小值对应的机械臂关节角作为选定的逆解。通过实验表明该方法成功率更高、耗时更短、结果精度更高,木板抓取试验成功率高。该方法在冗余机械臂视觉伺服等实时控制中有较好的应用意义。

7自由度串联机器人运动学分析

以北京某大学自行研制的7自由度串联机器人为研究对象,对其运动学正解和逆解进行分析和研究。应用旋量方法推导出该机器人的运动学正解求解方程。在运动学正解求解方程基础上,采用位姿分离方法,将7自由度串联机器人的运动学逆解问题分解为位置逆解和姿态逆解两部分,并结合几何法和最短行程原则优化计算位置逆解和姿态逆解,继而完成了该机器人的运动学逆解求解。仿真结果验证了该7自由度串联机器人运动学逆解求解方法的正确性,且证明了该方法具有运算量小和精度高等特点。

7自由度仿人手臂运动学研究

介绍了服务机器人7自由度仿人手臂运动学分析的方法,对逆运动学求解采用两种方式:一种是将7自由度退化成6自由度来求运动学逆解;另一种是将机器人手臂分成臂和腕两部分,采用位姿分离法来求运动学逆解,体现了冗余度特性。两种方法简化了逆运动学求解,计算量都比较小,适合实时控制。

七自由度仿人机械手的逆运动学分析

对一种7自由度仿人机械臂进行了运动学分析,在求出正运动学问题的基础上,运用位姿分离的方法对其逆运动学进行了运算。这种方法计算量比较小,适合实时控制。在MATLAB环境下,用Robotics Toolbox工具箱对该机器人的逆运动学、运动轨迹等进行了仿真,验证了计算的正确性。

七自由度带电作业机器人逆运动学求解方法研究

本文以七自由度双臂带电作业机器人为研究对象,针对七自由度逆运动学求解计算复杂,实时控制困难的问题,在分析机器人的机械结构及建立正向运动学模型的基础上,采用位姿分解法与代数迭代法相结合的方式求解运动学逆解,将七自由度逆运动学求解转化为四自由度位置冗余问题,并设计了具体的程序流程图,经过仿真验证,该算法减小了逆运动学求解的计算量,提高了机器人控制的实时性。

基于旋量和自运动的七自由度机械臂逆解算法

针对七自由度机械臂运动学建模及运动学逆解求解问题,首先,基于SolidWorks建立七自由度模块化机械臂模型,采用旋量法建立机械臂正运动学方程。然后,采用矢量法和位姿分离法两者结合求解机械臂逆解。最后,在MATLAB软件编制逆解程序,得出机械臂8组逆解,将8组逆解代入正运动学方程,并在Robotics Toolbox中进行仿真,便可得到八组逆解的机械臂末端位姿。仿真结果验证了运动学建模的正确性,同时表明该逆解算法能够准确清晰表达八组逆解的几何意义,降低了运算过程,使机械臂逆解求解更加简明,为后续机械臂动力学研究和轨迹规划提供研究基础。

7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真

针对传统机械臂负载自重比小、臂身惯量大、人机交互安全性弱等问题,对绳驱动机械臂的结构、绳驱关节耦合、冗余运动学等方面进行了研究,创新设计了一种新型7自由度冗余绳驱动机械臂。采用绳索间接驱动前端4个关节自由度,作为位置控制;采用电机直接驱动腕部关节3个自由度,作为姿态控制。利用绳索将驱动力从基座电机传递至机械臂关节处,实现驱动机构后置;对绳驱关节耦合问题进行分析,建立了电机-关节耦合映射关系;利用位姿分离方式,结合加权最小范数法,进行机械臂逆运动学冗余位置求解。仿真结果表明:耦合映射关系建立正确,冗余运动学求解准确高效,为绳驱机械臂结构优化、动力学建模奠定了基础。

基于AGA的焊接机器人避障轨迹规划

针对焊接机器人在焊接过程中运动耗时长,稳定性系数低,避障精度差的问题,采用自适应遗传算法来搜索任务空间中轨迹的最优解。以ABB IRB 120焊接机器人为研究对象,首先,建立机器人D-H运动学模型,采用位姿分离的方法进行逆运动学分析;然后,通过自适应遗传算法对焊接机器人进行避障优化,使其能够快速地找到焊接机器人在焊接运动过程中的最优路径;同时,采用五次多项式插值法逼近任务空间中的轨迹行程。仿真结果表明,与经典遗传算法相比,自适应遗传算法通过自适应调节交叉概率Pc和变异概率Pm的值,能更好地产生新的个体摆脱局部极值,快速地搜索到全局最优解,获得平稳且连续变化的机器人末端点运动轨迹,在一定程度上提高收敛速度与求解精度。

饰品研磨机器人系统的研究

将工业机器人应用到小型产品的精加工中,提出了基于工业机器人的饰品自动化研磨系统的方案.通过系统的搭建,就其中机器人作业标定和运动学分析方法的问题进行研究,提出了特定标定方法和位置姿态分离控制运动学方法.

脊柱微创手术机械手控制策略研究

本文针对遥操作型脊柱微创手术机械手控制策略,提出一种基于位姿分离的位置增量式主从控制策略,为降低机械手系统的逆解求解难度,将手术机械手系统中的6自由度串联机构逆解问题简化为两个3自由度串联机构的逆解问题,进而提高了主从手间运动跟踪的实时性。

等离子冗余机器人逆运动学分析与试验

针对等离子机器人位姿分离算法精度不足及旋量理论计算复杂的缺点,提出一种位姿分离算法结合旋量理论的新算法。位姿分离算法虽然计算简单、但是位置关节对姿态关节的误差影响较大,容易导致等离子喷枪距离参数出现不稳定的情况,从而影响等离子表面改性质量的好坏。旋量理论虽然具有较高的计算精度,但是计算复杂,不太适合应用于对实时性要求很高的场合。位姿分离结合旋量理论的新算法首先在腕点位置矢量基础上利用位姿分离算法求解等离子机器人的位置关节逆解,然后利用位置关节逆解和旋量理论求解机器人的姿态逆解,一方面保证了等离子机器人的计算简洁性,另一方面也保证了逆运动学的求解精度。最后通过等离子表面改性试验验证了所论算法的正确性。