改进RRT算法的采摘机械臂路径规划

针对采用传统的快速随机扩展树(RRT)算法的采摘机械臂在果园工作环境中搜索路径时间长,最终路径不平滑、拐点多等问题,提出了一种改进的RRT避障算法。改进的算法采用高斯采样策略,减少了采样的随机性,避免产生更多不必要的随机树,增加规划的导向性;再添加A*代价函数去除路径的冗余点,最后使用贪婪算法简化路径,减少拐点,让机械臂可以快速、准确、平稳地沿着最佳路径运动到目标点。仿真表明,改进后的算法有效地减少了路径规划的时间,缩短了路径长度,具有良好的可行性和有效性。

主从遥操作机械手工作空间覆盖控制策略研究

针对遥操作机器人主控制器工作空间过小和主从手工作空间不匹配的问题,提出一种区域覆盖思路。将主控制器工作空间与从机械手工作空间一一对应的映射关系转换成主手工作空间多次区域映射的关系,通过多次建立主从手的连接,达到区域覆盖的目的。同时为了更好地控制从机械手末端的姿态,设计一种相对运动姿态控制方法,将传递给机械手的绝对姿态坐标替换成姿态运动信息,以达到相对姿态控制目的。最后,进行仿真分析和试验验证。结果表明:该方法能够实现工作空间完美覆盖,主手能够有效地控制从手运动。

空间柔性机械臂建模、控制以及轨迹规划研究综述

经过几十年的不懈努力,中国航空航天技术日益突进,逐渐走向世界前列。但由于空间环境情况的复杂多变以及柔性臂本身固有的物理属性,常会导致末端执行器发生振动或未按规定路径运动等一系列问题。在简述国内外空间柔性机械臂发展现状的基础上,分析了空间柔性机械臂建模、控制方法以及轨迹规划3个方面的研究现状,并详细调研了相关内容在不同工况下适用的设计方法及其优缺点,以及部分专家学者对该方法的具体应用情况。最后结合上述分析内容,提出了柔性空间机械臂的发展趋势与展望。

混合阻塞变刚度软手指设计与实验

为了解决单一阻塞介质变刚度软机械手抓取复杂外形物体效果不佳的问题,受人体手指结构启发,设计了一种仿指腹结构的混合阻塞变刚度软手指。将其设计为双层结构,外层为气动驱动器,内层为基于主动层干扰与被动颗粒阻塞的混合阻塞变刚度层,使得软手指自动贴合被抓取对象,实现主动驱动的被动适应,并通过调整刚度实现可靠抓取。基于传统缝纫工艺,采用超弹性硅胶材料制造软手指。采用Euler-Bernoulli梁理论和虚功原理,建立了基于悬臂梁结构下的多材料软手指的刚度控制模型,并据此提出增大整体刚度的材料筛选方法。弯曲特性实验表明软手指的弯曲性能优异。变刚度和抓取实验结果表明,混合阻塞软手指刚度增大4.6倍,建立的刚度模型最大相对误差为3.4%;在抓取对象表面粗糙度增大的条件下,软手指拉脱力仍增大17%,达到1.7 N;相较于单阻塞介质软手指,抓取成功率和承载能力均得到显著提高。

基于反馈线性化的广义预测控制机械臂轨迹跟踪算法

分析了机械臂轨迹跟踪控制问题的特点,建立了二自由度机械臂动力学模型。为解决广义预测控制(generalized predictive control,GPC)算法难以适用于非线性系统的问题,在现有的GPC算法基础上,设计了基于反馈线性化的广义预测控制(feedback linearization-generalized predictive control,FL-GPC)算法框架,即底层为线性系统预测控制,非线性项使用预估值来进行代替,高层为迭代修正预估量,使用迭代计算的方式对非线性项进行预估。使用FL-GPC算法对二自由度机械臂的静态、动态轨迹跟踪任务进行了仿真。仿真结果表明,算法可以进行有效的机械臂轨迹跟踪控制。

煤矸分拣多机械臂任务分配问题研究

针对煤矸分拣过程中分拣率低、大粒度矸石分拣效果差等问题,通过考虑矸石粒度、分拣时间、矸石与分拣区边界距离等因素,构建矸石优先级模型;采取分拣机械臂放置矸石后不复位的方式,提出了一种煤矸分拣多机械臂任务分配策略,并以分拣率为标准进行评判,最后,采用本研究分配策略和传统的分配策略进行仿真。结果表明:本研究分配策略比传统的分配策略分拣效果更好,提高了7%~10%的分拣率,减少了大粒度矸石的漏拣数量;当矸石的间距不变时,矸石数量变化对分拣率影响较小,分拣率波动在3%左右,验证了本研究分配策略的有效性;矸石间距对分拣率和分拣机械臂数量的影响较大,当矸石的间距增大时,分拣率得到提高;矸石间距在250 mm以上时,3个分拣机械臂能保证较高的分拣率。

基于柔性应变传感器的数据手套手势识别研究

针对传统手势识别系统识别率不高、响应不稳定等问题,设计了一个包括柔性传感器、信号采集系统、手势识别算法的柔性应变传感器数据手套手势识别系统。该系统可准确捕捉每根手指关节运动信息,具有高自由度、低成本、高识别率等特点。在软硅胶材料中掺杂特定配比的碳黑(CB)和碳纳米管(CNTs),通过转印技术设计出线性度好、灵敏度高的电阻式传感器。实验结果表明,传感器具有较好的静态、动态响应特性,并完成传感器标定;利用多个柔性传感器制备数据手套并搭建信号采集系统,进一步提出融合BP神经网络和模板匹配技术的手势识别方法,以提升相近手势字母识别率,算法识别率为98.5%;针对不同人群开展手势识别实验,结果表明,该手势识别系统准确率达到92.8%,响应时间约40ms,该数据手套具有较好的应用潜力。

在线数据记录和扰动观测器相结合的柔性机械臂复合学习控制

本文针对多输入多输出的柔性机械臂动力学模型,提出了一种基于神经网络估计和扰动观测器的复合学习控制策略.首先,通过奇异摄动分析将系统解耦为快慢子系统.然后,针对慢变刚性子系统的动力学模型,基于在线数据记录模型构造新型预测误差,结合跟踪误差设计自适应控制律;针对快变柔性子系统采用滑模控制抑制弹性振动.在此基础上,构建了扰动观测器实时估计复合扰动信号,并纳入在线数据记录模型作为前馈补偿.最后,基于Lyapunov稳定性分析可证系统误差信号一致终值有界,仿真算例验证了所提策略的有效性和优越性.

考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制

以空间机械臂在轨服务的高精度要求为背景,研究不同重力环境下考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制。以二连杆空间机械臂为研究对象,建立基于轻杆模型的含间隙等效模型,使用Kane方程、力矩平衡原理建立摩擦模型,并运用拉格朗日方程建立机械臂动力学方程,设计无模型控制器。在此基础上分析不同重力环境下摩擦与间隙对机械臂关节驱动力、机械臂末端轨迹跟踪精度的影响,并与比例微分(PD)算法控制的机械臂末端轨迹跟踪效果相比较,验证在不改变控制器参数与结构的条件下,在不同重力环境下无模型控制算法的优越性。

改进粒子群优化算法在机械臂轨迹规划中的应用

针对机械臂运动效率与稳定性问题,提出了一种基于改进粒子群算法的时间优化轨迹规划方法。该方法以3-5-3组合分段多项式插值算法为基础,以分段区间的时间为优化目标,通过带有动态学习因子与收缩因子的改进粒子群优化算法进行优化。本文以实验室的空中作业机器人作业机械臂为模型,将本文方法与标准粒子群优化规划方法进行比较,仿真结果证明该方法收敛速度和精度都有明显改善,且算法未陷入局部收敛,最终优化结果有12.8%的提升。在该轨迹下机械臂的关节角度、速度、加速度曲线平滑无突变,机械臂运动平稳,方法具有可行性。

基于六自由度机械臂的带电作业机械手模型设计研究

为满足高危环境下带电机器人的作业需求,避免机械臂在运动过程中出现抖动、失控等不良现象,提出基于六自由度机械臂的带电作业机械手模型。首先基于机械臂关节参数构建动力学模型,然后引入混合多项式插值法和粒子群算法对机械臂轨迹规划问题进行分析。实验结果表明,在粒子群优化算法下,机械臂4个关节的运行总时间分别为3.48、3.57、4.58和3.84 s,总运行时间最少缩短了10 s。在约束条件下,机械臂各关节始终处于安全范围内,不存在关节力矩大幅振荡情况。实验结果证实该带电作业机械手模型具有较好的应用效果。

河蟹高效自动捆扎装置结构设计与试验

近年来我国河蟹养殖面积和产量迅猛增长,但我国水产养殖的机械化发展水平偏低,目前河蟹捆扎方法主要是依靠人工捆扎,存在劳动强度大、人工捆扎效率低、不可控因素多、易对河蟹造成损伤等问题。针对人工捆扎所导致的诸多问题,以高效为目标,设计了一种自动化河蟹高效捆扎装置。河蟹自动化捆扎装置主要由机架、拿蟹组件、整形组件、捆蟹组件、切绳机构、装扣机构、气源供应组件以及控制系统等组成。该河蟹捆扎装置通过对数百只河蟹进行规格大小、绑扎速度、损伤程度的测试,可以实现对河蟹的高效自动化捆扎,与传统人工方式相比提高了工作效率,应用前景广阔。

改进RRT^(*)-APF-DP融合算法的机械臂路径规划

针对基本的快速拓展随机树算法(rapidly-exploring random tree,RRT^(*))存在搜索随机性大、效率低、路径非最优的缺点,提出一种引入人工势场法算法(artificial potential field method,APF)和Douglas-Peucker算法的改进RRT^(*)-APF-DP路径规划算法.在RRT*算法的采样点生成阶段引入变采样范围偏置搜索与步长自适应调整策略,融合重新设计的APF算法的引力与斥力函数,增强路径扩展导向性与绕过障碍物能力.采用重采样策略改进DP算法,优化避障代价与控制点数量.实验结果表明,本算法规划的避障路径满足机械臂的运动要求,且算法规划的避障路径代价、规划时间和路径控制节点数均得到有效改善.

船舶维修机械臂水下探伤系统稳定性分析

为了满足船舶远海航行时对于水下船体探伤的作业需求,基于自主设计的水下机械臂系统,在其末端执行机构安装水下摄像头,以代替潜水员下水进行探伤作业,并对搭建的水下维修机械臂探伤系统的操控稳定性进行了分析验证。首先,基于拉格朗日函数建立了水下机械臂探伤系统的动力学方程,并利用Fluent软件仿真计算出在不同流速下机械臂探伤系统各关节处所受的水阻力大小;然后,将计算所得各关节水阻力作为载荷添加至动力学仿真分析中,利用Matlab软件对水下维修机械臂探伤系统进行了动力学仿真,得到各关节在空气中和水下不同环境中的力矩,求得水阻力对各关节力矩的影响因子;最后,在空气中和水下两种环境中对机械臂探伤系统进行运动控制试验,实际的力矩反馈和流体模型的建立验证了水下维修机械臂探伤系统良好的操控稳定性,为运用于船舶远航实际水下探伤作业提供了数据和实验支持。

基于RGB-D的像素级抓取检测算法研究

针对物体姿态随机、外形不规则、抓取环境复杂等机械臂抓取问题,提出一种基于RGB-D的像素级抓取检测方法。首先,对Cornell数据集基于像素级重标注,并生成抓取标签;然后,提出一种多残差提取卷积神经网络(CRE-Net),增强网络特征提取效果;最后,搭建仿真抓取系统,进行算法验证。实验结果表明:位姿检测精度达到93.99%,在对抗性抓取中,单物体抓取成功率为94.0%,多物体抓取成功率为73.3%。

基于自回归小波神经网络的机械臂自适应滑模控制

针对机械臂存在模型不确定和未知扰动的问题,提出一种动力学模型参数分块逼近的神经网络非奇异终端滑模(nonsingular terminal sliding mode, NTSM)控制方法.为加快系统跟踪误差的收敛速度,避免传统终端滑模存在的奇异性问题,采用一种非奇异终端滑模面.利用多组自回归小波神经网络(self-recurrent wavelet neural network, SRWNN)分块逼近系统未知的动力学模型参数,并采用自适应更新律调整权重.通过积分控制项补偿SRWNN的逼近误差,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统稳定性.使用MATLAB进行仿真分析,分块SRWNN滑模控制与滑模控制、整体SRWNN滑模控制相比,关节角度跟踪误差的平均稳态误差分别降低了31.9%、76.5%,表明此方法是一种可靠、有效的轨迹跟踪控制方法.

基于Unity3D的档案抓取机械臂仿真系统设计与实现

随着工业领域对无人化和自动化的需求增加,多自由度机械臂在工业领域应用越来越广泛。基于Unity3D设计了一个六轴机械臂仿真系统应用于实体档案管理领域,该系统允许用户通过软件界面对虚拟机械臂进行运动控制,并实现机械臂以及末端夹具和工作环境之间的碰撞检测,确保系统安全执行任务。系统采用UGUI实现交互界面,使用Unity矩阵、向量接口实现正逆运动学算法,并使用Articulation动力学组件实现运动控制。针对碰撞问题,采用BoxCollider组件及OBB相交检测算法。给出了基于Unity3D的仿真界面图,并通过实例验证该系统能够安全平稳地执行任务。

基于OpenCV视觉引导的多自由度机械臂的研究与应用

主要通过硬件系统和软件系统的设计对多自由度机械手臂进行了深入研究。采用STM32系列单片机作为机械手臂的主控单元,对载有弯曲传感器的虚拟现实设备进行运动姿态数据采集、无线发送与接收,实现对机械手臂末端控制器的远程实时控制。同时,利用OpenCV视觉引导技术对采集的目标物体图像进行识别与处理,系统能够准确定位和识别图像的空间坐标,通过PID控制算法使机械手臂能按照指定位置和预定速度正确识别和抓取目标物体。

基于自适应模糊补偿的机械手鲁棒滑模控制

本文提出了一种基于自适应模糊补偿的机器人机械手鲁棒滑模控制方法,以解决柔性机械手动力学方程复杂、外部扰动和模型不确定性的挑战。该方法用于设计非线性系统的控制器。通过采用模糊系统,实现对机器手模型未知部分的自适应逼近,从而提高系统对外部扰动和不确定性的鲁棒性。通过Matlab/Simulink仿真结果表明,基于自适应模糊补偿能够实现控制系统稳定,可有效降低模糊增益。

基于PLC的气动搬运机械手自动控制系统设计

为提高气动搬运机械手在复杂工厂流水线中的运行效率,该文设计了一套基于PLC的气动搬运机械手自动控制系统。在分析通用气动机械手将物品在不同位点之间搬运的运动流程的基础上,设计了自动控制系统的硬件架构。其中包含了可编程逻辑控制器(PLC)、伺服电机、传感器和交互屏等器件,并根据气动搬运机械手的运动流程,设计了相应的软件控制程序及界面。仿真实验结果证明,所提出的气动搬运机械手自动控制系统可以稳定地完成实验预设的功能需求,自动化程度较高。