基于二型模糊遗传控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

对冗余自由度机械臂的运动轨迹进行准确的控制,有助于提高工作效率以及工作质量。在对5自由度冗余机械臂结构分析的基础上,设计了一种二型模糊遗传控制器,可用于控制冗余自由度机械臂按照既定轨迹进行运动。首先,对冗余机械臂的结构进行分析,并借助拉格朗日函数冗余度机械臂扭矩与连杆位置关系的动力学模型。然后,通过二型隶属函数定义二型模糊集及区间二型模糊集。对区间二型模糊逻辑系统主要模块的功能进行分析,以其为核心部分设计区间二型模糊PID控制器,并制定区间二型模糊PID控制器的规则库,采用遗传算法对区间二型模糊PID控制器的参数进行选择,以对机械臂的运动轨迹进行控制。最后,采用二型模糊遗传控制器对锯齿及正弦目标轨迹进行跟踪测试,测试结果显示:与PID控制器相比,本文设计的二型模糊遗传控制器,在对锯齿及正弦目标轨迹跟踪时,最大跟踪误差分别减少5.97 mm和3.66 mm。说明本文设计的二型模糊遗传控制器,能够控制冗余度机械臂较为准确地按照目标轨迹运动。

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。

一种七自由度冗余机械臂的奇异构形特征分析

总结了对七自由度冗余机械臂进行奇异性分析的常用方法,并引入了一种基于相关旋量抑制的方法。采用这种方法,对一种构型与加拿大臂2相同的七自由度冗余机械臂进行了奇异性分析,得出了七自由度冗余机械臂出现奇异时的5种情况。为了深入和形象地理解机械臂的奇异构形,针对每种情况进行了详细分析,得出了每种情况对应的奇异构形的几何特征,并用图解形式直观地给出了奇异构形的例子。

七自由度冗余机械臂动力学仿真

针对七自由度冗余机械臂动力学建模正确性及动力学仿真问题,首先,基于Solid-Works建立七自由度冗余机械臂模型,采用牛顿-欧拉法建立机械臂动力学模型.然后,给定实际工况下的角速度并将机械臂模型导入ADAMS中,进行动力学仿真,得到机械臂各关节力矩随时间变化的曲线.最后,从动力学仿真轨迹中取一组瞬态关节角,将其角速度和角加速度带入动力学方程求出各关节力矩,对比理论计算与仿真结果并根据曲线分析机械臂动力学特性.仿真结果验证了动力学建模的正确性,同时得出机械臂运动时各关节力矩存在耦合影响,为机械臂的后续控制研究和轨迹规划提供了试验基础.

2P6R拼装机械臂的运动学分析

目前隧道管片修复加固工作自动化程度低,存在施工安全隐患大、效率低、成本高、工人劳动强度大等问题.为实现隧道管片加固钢板的自动化拼装,首先,提出一种2P6R拼装机械臂方案,建立机械臂正运动学模型.其次,采用解析法对机械臂进行逆向运动学求解,以限制关节超限作为代价函数进行冗余解的选取,并在Beckhoff C6030-0080的TwinCAT 3平台进行逆运动学求解测试,验证算法具有较好的实时性.再次,利用微分变换法求得机械臂的雅可比矩阵,识别并列举边界奇异及内部奇异位形示例.最后,利用图解法绘制出机械臂可达工作空间截面及完整的三维可达工作空间,并进一步对机械臂进行灵活度分析,绘制出灵活度分布图.研究结果表明:2P6R拼装机械臂可以满足隧道管片加固钢板自动化拼装需求,为机械臂的应用提供理论基础.

存在关节限位的冗余机械臂逆运动学研究

针对冗余机械臂求逆解时由于关节限位造成关节角度可能取到危险位置的问题,以七自由度冗余机械臂为研究对象,提出一种躲避关节限位的逆运动学求解智能算法。首先,在机械臂正运动学方程的基础上引入最佳柔顺性优化约束条件,构建优化目标函数;其次,引入人工势场法对灰狼优化算法狼群初始化位置进行改进,并且非线性化灰狼优化算法的收敛因子;最后,采用MATLAB软件进行求逆解仿真。仿真结果表明,改进灰狼优化算法可以有效减小机械臂求逆解时取得的关节角度与零角度的差值,相比传统灰狼优化算法,该差值之和平均减小了35.31%,而且改进灰狼优化算法具有较高求解精度和较强收敛性,可以满足实际工作中机械臂求逆解的使用要求。

基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法

基于共形几何代数(Conformal geometric algebra,CGA),提出了一种求解SRS(S:球副,R:转动副)7自由度机械臂逆运动分析的臂型角参数化法。首先,根据臂型角参数化,在共形几何代数框架下,使用点、线、面、球和点对等基本几何体的相交、分离和对偶等运算,得到机械臂5个关节点的位置;接着,通过构造过关节点的直线与平面,使用构造的直线间或构造的平面间的内积,得出机械臂7个关节转角的余弦表达,从而获得了机械臂逆运动学分析的所有16组解析解;最后,以Kinova Jaco27自由度机械臂为数值实例求解,并通过SolidWorks仿真验证了所提方法的正确性。结果表明提出的方法具有几何直观性强和计算简明的特点,为其他7自由度机械臂的逆运动学求解提供了一种新思路。

具有关节限位的7R仿人机械臂逆运动学优化

针对7R仿人机械臂运动优化问题,建立了基于臂角参数的逆运动学封闭解,并采用解析法确定了关节限位约束下臂角参数的有效范围。此外,定义了一种新的关节位置评价函数,将避关节限位的优化指标转化为虚拟转矩。在此基础上,提出一种自寻优方法,用于解决机械臂避关节限位的运动优化问题。仿真结果表明:本文方法能准确地确定臂角的有效范围,同时能快速有效地完成机械臂运动学优化任务。

一种新型串联机械臂工作空间与运动规划分析

针对串联机械臂的工程应用问题,文中提出一种新型7自由度机械臂,该机械臂采用“S-R-S”构型,且其3,4,5轴为3个平行轴。基于此机械臂,采用蒙特卡洛法对其工作空间进行分析,并采用投影平面边界拟合到空间边界拟合的方法,对工作空间进行分层讨论,指出该机械臂在不同层级具有不同的灵巧性表现。同时,采用臂型角参数化的方法,求取了该机械臂解析形式的运动学反解。采用相关旋量抑制的方法,分析求解了该机械臂的奇异位姿,在此基础上,通过将各关节角约束转变为臂型角参数的取值范围约束,以解决运动规划中的避奇异问题,进一步基于一定的优化指标选取合适的逆运动学解。研究成果对串联机械臂的规划与控制问题具有一定参考价值。

一种七自由度冗余机械臂的逆运动学优化算法

在建立一种常见的七自由度冗余机械臂D-H模型的基础上,结合固定关节角法和加权最小范数法,提出了一种基于二次计算的逆运动学优化算法.基于加权最小范数法具有回避关节极限以得到优化解的优势,该算法一方面在牺牲一定时间复杂度的条件下进一步提高了逆运动学求解的精度,另一方面基于迭代算法解决了雅克比伪逆不存在时加权最小范数法无法求解的问题.通过仿真结果可以看出,基于加权最小范数法的二次计算法在对期望轨迹的跟踪精度上有了很大提高,并能够较好地解决雅克比伪逆不存在时的求解问题.

基于支持向量回归的乒乓球机器人击球策略学习方法

针对7自由度仿人型乒乓球机器人的定点回球问题,提出了一种基于支持向量回归的击球策略学习方法.首先,把机器人的击球过程形式化为击球评价函数,该函数以来球状态和击球轨迹参数为输入,以回报值为输出.然后,提出一种基于物理模型置信域的随机搜索方法以提高训练数据的采集效率,并基于ε支持向量回归(ε-SVR)对经验数据集进行泛化从而得到击球评价函数.最后,在决策过程中,采用多初值拟牛顿法最大化击球评价函数以求解出最优击球轨迹.将该方法应用于7自由度乒乓球机器人系统中,实验结果验证了其有效性.