位姿空间方法在装配规划中的应用

描述了位姿空间方法在装配路径规划和装配序列规划中的应用．用具有位置分量和方向分量的特征元素描述物体，用方向分量相互匹配的特征元素对计算物体间C-空间障碍，由零件在产品装配模型中的几何约束生成局部拆卸方向和全局拆卸方向，构造并搜索产品分解树生成装配序列，在考虑拆卸方向前提下运用位姿空间方法，以目标的可见性测试和改进的具有动态栅格和动态步长的A算法，推导当前装配（拆卸）零件在固定姿态下由装配起点到装配最终位置的最短无碰装配（拆卸）路径．该方法不仅适用于复杂结构的装配体，而且在高效率的同时把路径规划和装配规划相结合．

机器人操作机位姿空间的测度

自动化生产中对机器人的设计、选择和评价中存在两个弊端，一方面是用户常选择不合理的运动学指标为依据造成购得的机器人不能很好地满足工作要求；另一方面是机器人设计者往往盲目地追求对众多运动学指标的所谓全局优化，实际上却恰得其反。该文试图通过拓扑学中的空间测度来揭示机器人运动学指标之间的内在联系，从理论和实际价值的角度出发定义新的运动学指标。

基于位姿空间栅格扩展及变维搜索的机器人运动规划新策略

本文首先对机器人运动规划算法中的栅格扩展策略及次序规划法进行了探讨，并提出了相应的改进方法，在此基础上提出了一种新的机器人运动规划策略——基于位姿空间栅格扩展及变维空间搜索算法。

空间机器人位姿空间分层量化建模方法

本文首先分析了空间机器人在位姿空间的不完全可控性及其给运动规划带来的困难．在此基础上，本文提出一种适用于空间机器人的位姿空间分层量化建模方法．此方法首先对位姿空间进行了分层量化处理，然后通过定义位姿间的相邻关系而建立了位姿空间图（ＣＳＧ），并对ＣＳＧ的顶点和边的碰撞情况做了规定．

基于隐式位姿空间分层量化的空间机械手无碰撞路径规划方法

本文在概述空间机械手无碰撞路径规划问题的特殊性的基础上提出了相应的路径规划策略。依据这些策略，本文描述了一种基于隐式位姿空间分层量化的路径规划划方法，并通过仿真验证了所提出规划策略和规划方法的有效性。

悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真

为实现掘进断面自动截割成形控制,达到无人采掘装备自主巡航目标,研究了悬臂式掘进机空间位姿运动学模型并进行了仿真。将悬臂式掘进机的机械机构简化为一系列平移或旋转关节串联而成的运动链,建立了掘进机空间位姿坐标体系;利用齐次坐标变换和机器人运动学相关理论建立了掘进机机身位姿和截割头相对于大地坐标系的空间位姿矩阵。采用D-H法求解了正向运动学问题即截割头空间位姿精确定位;采用代数法分析研究了逆向运动学问题即截割头轨迹规划及控制的数学模型。以EBZ200机型为例,实验仿真了类S形自下而上矩形截割断面工艺路径,并进行了现场多组试验。试验结果表明:设定巷道断面4 500 mm×4 000 mm,两帮综合最大误差为65mm,相对控制最大误差为1.4%,达到煤巷断面质量精度要求,且重复精度高、无累计偏差。

法兰自动对接空间位姿综合误差建模技术研究

以某火箭发动机尾喷口与燃烧室法兰端口自动对接为例,设计TTTRRR六自由度对接机构,结合海克斯康Leicaprobe自动激光跟踪仪获取位姿信息,并求解位姿调整参量。分析六自由度对接机构的X/Y/Z三个平动导轨,A/B/C三个转动轴的制造误差、安装误差、运动误差等共计42项误差,并分别对每个运动单元进行误差运动学分析,通过齐次坐标变换技术对尾喷口法兰位姿建立空间位姿实际与理想空间位姿变换模型,推导空间位姿综合误差模型及尾喷口位姿误差,并通过算例仿真验证方法。

机械手空间位姿控制的一种改进算法研究及仿真

在介绍伺服控制机器人关节型机械手的组成及其空间位姿变换矩阵的基础上,针对具有关节轴平行特性的机械手提出一种空间位姿控制的改进算法,以改进机械手空间位姿控制算法的计算效率。仿真实验表明,系统动态响应的性能指标明显改善,从而提高了机械手空间位姿控制的实时性。

基于旋转投影二进制描述符的空间目标位姿估计

为了实现基于点云的空间目标相对位姿快速估计,提出一种旋转投影二进制描述符(BRoPH)。该描述符首先建立特征点处的局部参考坐标系,然后通过旋转投影局部点云生成不同视角下的密度图像块和深度图像块,最后根据图像块生成特征点的多尺度二进制字符串。针对位姿估计对实时性的要求,在分析BRoPH Hamming距离分布的基础上,提出了基于Hamming距离阈值的特征匹配策略,用于剔除潜在的错误配对,加快位姿估计收敛速度。最后,在基于局部特征描述符位姿估计框架下分别与SHOT描述符和FPFH描述符进行了比较。结果表明:BRoPH描述符在仅需要SHOT和FPFH平均内存1/80的基础上,得到了远高于SHOT和FPFH的平均位姿估计精度,其平均姿态误差小于0.1°,平均位置误差小于1/180 R。此外,基于Hamming距离阈值的特征匹配策略使得BRoPH的位姿粗估计速度加快了7倍,总体位姿估计频率超过7Hz,比SHOT和FPFH分别快3~6.8倍。该方法具有占用内存小、计算速度快、位姿估计精度高和抗干扰能力强等优点,满足基于点云的空间目标位姿估计实时性要求。

混联数控机床中并联机构的空间位姿解析方法研究

混联数控机床是机器人与机床技术相结合的产物,研究了混联机床中一种并联机构的空间位姿解析方法.

五自由度机器人运动控制与空间位姿仿真系统

多自由度机器人在高端制造、空间遥操作和智能自主系统等领域具有极其重要的作用,其运动学与空间位姿研究可用于运动控制、轨迹规划和工作空间分析等。该文设计并实现一种五自由度机器人运动控制与空间位姿仿真系统,建立该机器人的结构模型,并提出正向运动学和逆向速度运动学解法;通过对多电机驱动单元的集成开发,实现X、Y和Z轴向及两个转向控制;选取一个马鞍面定义为该机器人空间观测作业任务,同步执行五自由度运动控制和空间位姿仿真的协同分析。测试结果表明,目标位姿与仿真位姿具有一致性,验证所提出运动学模型与解法的有效性。研究结果可用于评估多自由度机器人的可达工作空间,为其结构设计与控制优化提供理论和方法支撑。

遮挡区域空间位姿的多传感组合测量方法研究

针对狭长区域模块间存在视野遮挡、对接区域尺寸微小等问题,提出了一种多传感器组合位姿测量方法。该方法采用了布置在模块前后的轮廓仪与激光位移传感器联合获取模块上特征平面点云数据,利用平面拟合与空间几何投影的方法解算出章动角的旋转与位置的平移偏差,结合固定在目标上倾角仪提供的水平角信息解算出进动角与自转角的旋转偏差,研制了自动对接平台样机,实现了对接区域相对位姿的间接测量。实验结果表明,系统的位置与姿态测量精度分别优于40μm、0.02°,且测量稳定性与效益较人工测量有明显提高,证明了所提方法的有效性,满足对设备模块间的高精度位姿测量需求。

基于机构拓扑结构的悬臂式掘进机空间位姿偏差分析

基于悬臂式掘进机机械结构的拓扑结构分析,分别对悬臂式掘进机行走/支撑并联机构在空间掘进工作平面/滚动平面内可补偿的仰俯角偏差、巷顶距偏差、横滚角偏差,以及其回转并联机构/升降机构在空间掘进水平面内可补偿的水平偏角偏差、水平偏距偏差、车前距偏差进行深入研究分析,建立悬臂式掘进机机身空间全方位位姿偏差数学模型。应用空间机构结构学正/逆解求解思想,利用MATLAB及正解求解出已知各结构回路几何参量状态时,机身动平台的空间瞬时位姿偏差信息及可补偿空间位姿偏差的范围;逆解求出机身处于可补偿空间极限位姿偏差状态时,对应悬臂式掘进机的可调几何结构参量均满足工程设计要求。分析结果表明:通过调节前铲板/后支撑液压油缸驱动量,可实现补偿机身最大仰角偏差26.731°,最大俯角偏差27.468°,可补偿最大巷顶距偏差20.2537 mm;同时,通过实时动态调整截割臂的截割姿态,可实现补偿机身最大水平偏角偏差36.067°。实验结果同样也验证了结论的正确性、可实施性与高效性。基于拓扑结构分析得到的掘进机机身空间位姿偏差数学模型可为实施智能化悬臂式掘进机实时动态精准纠偏提供有效思路和依据。

一种面向空间非合作目标位姿测量应用的三维点云滤波算法

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题,给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性,验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上,以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入,验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明,该算法实现了原始点云93.1%的降采样,节省了92.9%的位姿解算时间,可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。

VR环境下基于Leap Motion的三维模型空间位姿自适应调整方法

针对目前基于Leap Motion的人机交互研究中存在的虚拟手与三维模型相互干涉、三维模型与虚拟手空间位姿同步率低的问题,提出一种基于Leap Motion的三维模型空间位姿自适应调整方法。通过将物理交互方法与启发式交互方法相结合,实现基于虚拟手位姿信息的三维模型空间位姿自适应实时精确调整,使人机交互仿真过程更加逼真,提升用户的交互式体验感。借助HTC VIVE所搭建的沉浸式虚拟现实环境,验证了该方法的可行性。

一种基于离散化位姿的月球车运动规划方法

针对障碍环境下具有非完整约束月球车的运动规划问题,提出了一种基于离散化位姿的月球车运动规划方法。该方法首先将月球车的运动轨迹限定于多项式旋线,通过求解多项式旋线参数生成无障碍条件下连接任意位姿状态的运动轨迹。同时,该方法对月球车运动规划问题中的位姿状态空间进行离散化,形成离散化的位姿状态空间。根据离散化位姿状态空间的特点,在离线的条件下生成连接相邻离散位姿的月球车基本的运动轨迹集。最后该方法结合基本运动轨迹集并利用启发式搜索算法最终解决障碍条件下的运动规划问题。基于动力学仿真平台中的实验结果验证了该方法的正确性和有效性。

面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法

为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题,提出了两点定位调姿法:通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整,采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数,确定舱段合理的调姿时间,保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法,采用串联机构即可满足调姿算法要求,避免了多轴协调控制,降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证,通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿,位移、速度、加速度轨迹光滑连续,同时满足各边界约束条件,调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm,调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明,两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求,有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。

转塔式贴装头吸嘴三维位姿误差分析与标定

针对转塔式贴装头因机械加工及装配误差导致吸嘴部件不垂直于贴装平面的问题,提出了一种吸嘴三维位姿误差的自动标定方法.对吸嘴进行理论建模与误差分析,通过机器视觉采集图像计算及坐标变换得出吸嘴在不同高度下的各个自转角度下的基坐标,利用最小二乘法拟合出吸嘴的自转圆心基坐标、半径大小以及吸嘴与竖直方向的偏角.通过实验分析吸嘴实际运动轨迹,一方面对理论计算吸嘴下降任意高度下自转圆心基坐标与实际自转圆心基坐标进行比较,另一方面对吸嘴自转到目标角度下计算基坐标与旋转之后实际位置坐标进行比较,结果表明总误差小于±50μm,满足元件贴装位置精度要求.

单目视觉测量球体颗粒位姿

为实现对流化床中目标颗粒空间位姿追踪测量,开发了一种基于单目视觉及彩色纹理编码球体的位姿测量系统。针对空间位置定位,建立了空间球体成像模型,并基于小孔平面成像模型及相机坐标转换模型,结合空间解析几何相关理论,分析了单目位置测量原理。考虑球体颗粒无法通过自身形状特征实现空间姿态测量,引入纹理特征,通过提取目标颗粒纹理,比较并建立其与合成库中已知方向图像之间的相似关系,实现空间姿态的测量。根据以上理论分析,搭建实验系统并进行了一系列实验。结果表明,位置测量综合误差率不大于0.5%,姿态测量误差不大于2°,验证了所提模型的有效性和可行性。

基于空间动力学优化的机床结构件质量匹配设计

提出基于整机空间动力学预测模型、以移动结构件质量为设计变量的多目标匹配设计方法.基于机床移动件的工作行程构建整机工作空间,运用正交试验法进行空间位姿试验设计,建立整机空间固有频率预测模型;在工作空间内对机床进行动力学性能的灵敏度分析,识别动力学的最优位姿和最差位姿;以最差位姿机床固有频率为优化目标,采用多目标质量匹配法对移动部件的质量进行最佳分布设计;重新计算优化后机床的固有频率,通过频率响应分析,比较优化前、后机床在最差和最优位姿下的动力学性能.结果表明,经过多目标质量匹配优化后,机床的固有频率得到了提高,刀尖节点的最大频响振幅明显降低,机床的整机动力学性能有了较大程度的改善.