Kinect-Based Humanoid Robotic Manipulator for Human Upper Limbs Movements Tracking

This paper presents a humanoid robotic arms controlled by tracking the human skeleton movement in real-time using Kinect upper limbbody tracking. Using Kinect tracking algorithm, the positions of upper limb arms of the body to the wrist in 3D space can be estimated by processing depth images from the Kinect. An extraction of 3D co-ordinates of the user’s both arm in real-time then Arduino microcontroller is transferring the data between both of computer and the humanoid robotic arm. This method provides a way to send movement task to the humanoid robotic manipulator instead of sending the end position motion like gesture-based approaches and this method has been tested in detect, tracking and following the movement of human skeleton gesture. Designing complete prototype of a humanoid robotic arms with 4DOF three joints in shoulder and one elbow joint to the wrist that look like the Human arm Structure, Appearance and Action that represent human arm movement performed by the humanoid robotic arm. The error was and response time result generated is small (less than 4.6% and 105 ms).

基于深度学习的目标识别与抓取研究

针对机械臂抓取在工业生产中的复杂作业环境、不同零件之间存在干扰的问题,文章提出了一种基于深度学习的目标识别及抓取方法,以此来减少抓取场景中物体位置的不确定性,提高检测和抓取成功率。采用卷积注意力机制模块(convolutional block attention module,CBAM)对YOLO-V5进行改进,加强卷积网络对图像特征的关注和提取能力,提高检测精度。改进之后的网络平均识别率提高了5.26%,证明了改进是有效且成功的。通过AUBO-i5机械臂、电动夹爪、相机以及六轴力传感器等设备搭建了一套机械臂抓取系统,实验结果表明所提出的方法在实际抓取中可以适应不同的抓取场景,减少外界干扰,提高抓取成功率,具有良好的应用前景。

配置机械臂的麦氏轮小车物体抓取与自动避障系统设计

设计了一种配置机械臂的麦氏轮小车,旨在实现物体抓取与自动避障功能。介绍了机械臂和麦氏轮小车的结构设计和工作原理,详细阐述了小车利用激光雷达感知周围环境进行建图,并利用Gmapping算法来规避障碍物,完成路径规划,通过深度相机识别不同颜色物块,并由机械臂完成分拣功能,最后通过实验来证明系统的可行性和稳定性。

纺织车间纱筒取装多自由度机械臂关节轨迹跟踪控制

纱筒取装换料是纺织车间里常用的一种作业,利用机械臂系统去实现纱筒换料,能够实现纺织车间作业效率的提升。在纱筒换料多自由度抓取机器人抓取纱筒放置到纱架的过程中,机器臂末端夹爪要精准抓取纱筒进行上下料,对机械臂要有精确,快速控制的需求,因此,研究关节机器人的运动轨迹的跟踪控制具有重要意义。为使得机器人在运动控制中精确定位,对纱筒夹取机械臂系统进行动力学建模得到相关力矩参数,对机械臂关节电机进行数学建模,并构建了机械臂的关节轨迹跟踪伺服控制系统,基于PID控制算法,利用MATLAB软件Simulink平台对五自由度机械臂模型进行轨迹跟踪可视化仿真实验,给定期望角度,通过PID控制算法的跟踪得到其实际输出角度,仿真实验结果表明PID控制算法跟踪轨迹误差小于0.08(rad),机械臂系统在0.02秒内快速响应,纱筒抓取五自由度机械臂系统在0.3秒内可达到系统稳态时间,能够使得机械臂末端夹爪对纱筒进行精确的抓取,满足了纺织车间对于纱筒上下料的作业需求,同时提高了其工作效率。

人形机器人双臂工作空间分析方法研究

采用几何分析法研究了人形机器人在物流搬运场景中,双臂基座设计参数对人形机器人双臂工作空间产生的影响。对人形机器人以及搬运目标物体进行建模,将搬运目标、双臂构型以及双臂安装基座进行量化分析,确定量化关系中的约束条件,包括机械臂的运动范围、干涉条件等。使用数学方法建立各个变量之间的数学关系式,分析搬运目标、机械臂构型以及双臂基座之间的关系,通过限定机械臂构型、搬运目标箱子尺寸范围,计算双臂基座参数,以获得人形机器人在物流搬运场景下搬运目标箱子的最优工作空间。在选定的搬运目标上进行搬运实验,验证优化后的双臂工作空间。实验结果表明,该方法能够针对工作场景分析出双臂协同运动的工作空间,并通过约束限定,计算出最优工作空间下的双臂底座设计参数,为人形机器人双臂协同运动空间最大化提供双臂底座设计思路。

基于TRIZ理论的新型康愈机械臂的研究与设计

为解决人体失能后,在康复过程中无法进行肌肉协调的问题,基于TRIZ理论建立矛盾矩阵,通过分析机械臂、研究肌肉协同系统与康复机器臂的适配性,设计了一种新型康愈外戴式机械臂。为解决外骨骼机械臂笨重和不好佩戴等问题,设计采用新型扁平气动人工肌肉材料,根据所选用机械装置,结合数据库所预测患者的肌肉电信号和脑部电信号的相关信息,进而通过系统对气动肌肉进行收缩控制,极大地解决了患者的康复训练问题。

Resonance Suppression Strategy for Humanoid Robot Arm

To address the problem of resonance in the control of a robot arm,a resonance suppression strategy is proposed for a single-joint humanoid robot arm based on the proportionalresonant(PR)controller.First,an arm joint model of the humanoid robot is established.Then the influence of resonance frequency on the performance of the control system with the robot arm is analyzed.The voltage fluctuation of the drive motor caused by the changes in arm motion is recognized as the disturbance of the current loop.The PR controller has the characteristic of disturbance rejection at a specific frequency.The output fluctuation of the driving system caused by the change of arm motion state at the resonance frequency is suppressed.Therefore the output current of the inverter will not be affected by the vibration of the arm at the resonance frequency.Finally,the control system is verified by MATLAB/Simulink simulation.The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm based on the PR controller can suppress the resonance of the arm effectively,improving the dynamic performance and system stability.

Similarity comprehensive evaluation of humanoid robot arm motion

A suitable comprehensive evaluation method for similarity comprehensive evaluation of humanoid motion(mainly to robotic arm) is proposed.For different robotic arms, a static comprehensive evaluation model is established by projection pursuit evaluation based on indexes of humanoid robot arm motion in robotics and ergonomics field. Based on projection pursuit evaluation with timing information entropy and time degrees, a dynamic comprehensive evaluation method is proposed by linear weighting to each time's static model's indexes weight according to timing weighted vectors. Through comparing similarity comprehensive evaluation result based on static and dynamic comprehensive evaluation model, the results show that similarity based on dynamic comprehensive evaluation model is high. By comparing reliability, similarity and dispersion of static and dynamic comprehensive evaluation models, the results show that dynamic comprehensive evaluation result has better accuracy, stability and lower dispersion, and the result is more reasonable and real. Therefore, the dynamic comprehensive evaluation method proposed in this paper is more suitable for similarity comprehensive evaluation of humanoid robot arm motion.

多电机耦合驱动式仿人机械臂设计与传动特性分析

针对传统仿人机械臂载荷与自重比低的问题,提出一种多电机耦合驱动式仿人机械臂。根据人臂的运动特性,确定串联结构下的仿人机械臂构型,并将机械臂划分为肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块。分析单电机驱动单关节的绳索传动特性,推导该模型下电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。研究各模块中多电机耦合驱动多关节的电机布局和绳索绕线方式,解释各模块中多电机耦合后的工作原理,推导各模块中电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。并通过实验验证各模块中映射关系的正确性,以及各模块关节的承载能力。结果表明:多电机耦合驱动方式在保证质量的前提下,可以有效提高各关节的承载力,为仿人机械臂的设计提供理论依据。

7自由度仿人机械臂工作空间求解的降密蒙特卡洛法

针对蒙特卡洛法和改进蒙特卡洛法在求解机械臂工作空间时存在精度不够准确和加密点云浪费的问题,提出一种降密蒙特卡洛法.首先,基于蒙特卡洛法中随机点分布不均的特性,对机械臂初始工作空间进行均匀加密,使空间的内部与边界区域分明;然后,采用扩展关节角度和循环加密随机点的方式,只对边界区域进行加密,达到降低工作空间随机点云密度的目的;同时,还研究了该方法中初始点云数量、各轴向分割体素数量、精度阈值、扩展关节角度和循环次数等参数对工作空间精度的影响;最后,通过仿真分析对降密蒙特卡洛法的有效性进行验证.结果表明:相比于蒙特卡洛法,降密蒙特卡洛法在工作空间平均误差率为0.022 42%时,总随机点云数量降幅为93.89%;相比于改进蒙特卡洛法,在循环次数为2次和4次时,降密蒙特卡洛法工作空间的平均误差率分别降低0.138 53%和0.113 29%,总随机点云数量降幅分别为44.83%和64.52%.

人形竞赛机器人机械手臂设计与运动学分析

以人形竞赛机器人机械手臂设计出发,首先分析机械手臂的功能与动作情况、以及人类手臂关节构成,据此设计3自由度人形竞赛机器人机械手臂;第二,采用D-H方法,从结构的角度简化坐标系建立的方式,确定D-H参数,分析得出机械手臂的正运动学方程;第三是采用几何方法与解析求解法相结合的方式进行逆运动学求解;最后,在MATLAB平台中采用蒙特卡洛方法分析机械手臂的工作空间验证求解结果,结果显示设计的机械手臂满足竞赛的工作空间要求。

煤矿抓管机器人冗余机械臂逆运动学求解算法

设计了一种煤矿抓管机器人,介绍了机器人的系统组成、核心参数和主要功能;在煤矿抓管机器人及其液压机械臂的结构特点和工作方式基础上,研究了基于固定角度法和搜索方法的机械臂逆运动学求解算法,分析了冗余机械臂的逆运动学求解原理,并给出了算法实现的详细流程。仿真结果表明:逆运动学求解得到的关节角序列能够驱动机械臂末端运动到目标位姿,求解过程可靠,验证了算法的有效性;相较现有其它逆运动学求解算法,该算法具有显式数学表达式,进而算法部署成本低。

基于双目视觉定位的机械臂智能抓取控制研究

随着科技的发展,机械臂开始往更加智能化、自动化的方向发展,单单依靠传统的通过示教器执行单一指令的机械臂已远远不能满足各类复杂的生产和服务。为了让机械臂更加智能化和科技化,通过赋予其双目视觉感知模块和智能控制系统,对机械臂智能抓取控制进行研究。采用HSR-Co605协作机械臂,基于双目视觉相机在ROS系统进行仿真建模、运动规划、障碍物规避等试验;在复杂环境下实现了机器人双目视觉模块自主识别定位物体,同时对周围障碍物进行避障规划,实现机械臂自主运动规划及智能抓取操作。在不同场景下进行了智能抓取试验,并对其试验结果进行了分析,为后续机械臂能更好地适应复杂的工作环境以及产业化发展提供参考。

Bio-inspired Design and Inverse Kinematics Solution of an Omnidirectional Humanoid Robotic Arm with Geometric and Load Capacity Constraints

Inspired by the driving muscles of the human arm,a 4-Degree of Freedom(DOF)concentrated driving humanoid robotic arm is proposed based on a spatial double parallel four-bar mechanism.The four-bar mechanism design reduces the inertia of the elbow-driving unit and the torque by 76.65%and 57.81%,respectively.Mimicking the human pose regulation strategy that the human arm picks up a heavy object by adjusting its posture naturally without complicated control,the robotic arm features an integrated position-level closed-form inverse solution method considering both geometric and load capacity limitations.This method consists of a geometric constraint model incorporating the arm angle(φ)and the Global Configuration(GC)to avoid joint limits and singularities,and a load capacity model to constrain the feasible domain of the arm angle.Further,trajectory tracking simulations and experiments are conducted to validate the feasibility of the proposed inverse solution method.The simulated maximum output torque,maximum output power and total energy consumption of the robotic arm are reduced by up to 2.0%,13.3%,and 33.3%,respectively.The experimental results demonstrate that the robotic arm can bear heavy loads in a human-like posture,effectively reducing the maximum output torque and energy consumption of the robotic arm by 1.83%and 5.03%,respectively,while avoiding joints beyond geometric and load capacity limitations.The proposed design provides a high payload–weight ratio and an efficient pose control solution for robotic arms,which can potentially broaden the application spectrum of humanoid robots.

基于人体工程学的仿人机械臂构型

针对仿人机械臂构型问题,提出一种新的筛选方法,并确定串联结构方式下最符合人臂特征的仿人机械臂构型。从人体解剖学的角度出发,分析人臂的运动机理,并结合人体测量学和机器人学相关原理构建6种不同的仿人机械臂构型。提出全局相对可操作度指标对不同构型进行灵活性分析,并采用可视化方法绘制出各构型的运动灵活性性能分布图。根据人臂的运动特性分析人臂的运动工作空间,将各构型仿人机械臂工作空间与其对比,从而筛选出串联方式下的最佳仿人机械臂构型。该结果为仿人机械臂的设计提供了理论依据,并为后续运动规划奠定了基础。

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.

机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。

达点臂姿预测指标与机械臂仿人运动

从弹性系数的影响因素出发,完善最小势能指标。基于大量试验,得到影响扭簧系数的因素为主观因素和客观因素。标准化客观因素,用聚类分析方法对主观因素分类,利用多元线性回归方法得到弹性系数与目标点之间的具体数学表达通式。用最小势能指标预测人臂达点臂姿,验证弹性系数,并与其他指标的预测结果对比。结果显示基于提出的弹性系数的最小势能指标能够准确预测更多人的臂姿。对机械臂进行仿人运动规划试验,证明最小势能指标的实用性。

仿人按摩机器人手臂结构设计及改进

仿人按摩机器人手臂是以传统中医按摩理论为基础,结合机器人定位精度高,按摩力量精确可控,动作可准确重复,不会产生疲劳等特点,构建了中医按摩机器人平台。机器人手臂是仿人按摩机器人的关键,在深入研究按摩机器人手臂的工作机理基础上,充分考虑手臂的材料、结构和刚度以及手臂反应的灵活性、稳定性、安全性、拟人化等要求,对大臂、肩关节、肘关节、小臂、手腕等关键环节进行了设计及改进。经过性能对比分析,设计的仿人按摩机器人手臂达到设计要求。

基于PC+PMAC的仿人机械臂控制系统的应用研究

针对仿人机械臂及其工作的特点,进行了一个关节型三自由度仿人机械手臂的控制系统的研究,主要对硬件结构、软件结构和控制方法等功能模块进行了设计。该控制系统采用PC机和PMAC多轴运动控制器进行两级控制,保证了系统重量轻、体积小、实时性好、可靠性高的要求,使仿人机械臂工作更具实用性。此项仿人机器臂平台的研究未来前景广阔。