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.

服务机器人拟人臂和底盘运动学建模

针对服务展示移动平台拟人手臂抓物体和移动问题,将其分为移动定位底盘和拟人抓取手臂两个基础部分。首先,构建了基于MDH法的连杆坐标系,其次从正、反运动学描述两个方面对拟人手臂进行了坐标系建模。再次把展示服务平台建模成驱动轮上的一个刚体,该服务展示平台移动定位底盘的总维数是三个:两个为移动平面中的位置信息;一个为垂直移动平面的旋量信息。最后,利用Open GL与VC6.0对四轴拟人手臂进行了仿真实验,验证了正、逆运动学求解工程的正确性。实验结果表明,该运动学建模能够反应出服务机器人真实运动情况。

3-DOF混联拟人臂动力学建模与迭代学习控制(英文)

采用Lagrange方法建立了一类新型3P6R平面3-DOF串-并混联拟人臂的标称动力学模型。针对该机构的重复轨迹跟踪问题,考虑其不确定性,充分利用其已知动力学部分,提出了一种集中参数自适应-闭环迭代学习控制器。在每个迭代周期内采用自适应算法学习由未建模动态、外部干扰及摩擦力等多种因素造成的集中不确定性上界,进而逐次补偿由其造成的误差;闭环变系数迭代学习算法保证了该系统在迭代域内收敛,实现了完全轨迹跟踪。严格的证明及仿真结果验证了此控制器的有效性。

基于Pro/E的双拟人臂机器人设计

为提高机械臂的灵活性,设计一款双拟人臂机器人并对其运动过程进行仿真。首先,对人臂的构型与运动进行分析,确定各个关节的自由度;然后利用Pro/E对7自由度的拟人机械臂进行三维建模,其主要由肩、肘、腕关节构成,分别具有三个、两个、两个自由度,利用电机驱动与皮带传动方式实现拟人机械臂的运动;最后利用Pro/E分析双拟人臂机器人的摆臂运动,模仿人走路过程中手臂的摆动动作。仿真结果表明,所设计的双拟人臂机器人运动过程平稳、具有较高的灵活性,能产生与人臂运动过程相近的动作。

拟人机械臂关节等效的运动学映射算法

为了更好地促进机器人对人体动作的实时精准模仿,以人臂运动特性为基础,针对拟人机械臂提出了一种基于等效关节的运动学映射算法。该方法根据人臂关节运动特点,将拟人机械臂关节等效为人臂关节,建立人臂到机械臂的转换模型。并由转换模型与人臂特征函数确定映射函数,解决了人臂关节与拟人机械臂关节之间旋转轴线差异问题。针对拟人机械臂逆运动学复杂问题,提出一种新的逆运动学求解方法。该方法利用等效关节为球关节特点,将拟人机械臂逆运动学问题分解成三个问题,分别求解各关节角。仿真和实际实验结果表明,所提出的映射方法能够使机器人平滑且准确地复现人臂动作,拥有较高末端精度与完美的位形相似度。并与基于关节空间的映射算法和任务空间的映射方法进行了比较。

7自由度拟人臂仿人运动的逆运动学解析解

为了求解末端位姿已知时拟人臂的仿人臂姿,以人臂运动特性为依据,针对7自由度拟人臂提出了一种新的逆运动学求解方法。该方法将人臂的末端运动转化为腕部的达点运动,利用肘部的自运动理论解耦了人臂的冗余度,并结合最小势能指标确定了自运动角。在利用末端位姿确定腕部位置的基础上,依据自运动角求解肘部位置,进而推导出拟人臂仿人运动的逆运动学解析表达式。试验和仿真结果证明了该方法解的仿人性和连续性。最后,从拟人臂的运动灵活性的角度分析了方法的失稳现象,结果表明自运动角发生突变时拟人臂奇异。该方法属于解析方法,有利于对拟人臂进行实时的仿人运动控制。

基于似人特性的拟人臂机器人自主抓取动作规划

针对拟人臂机器人在家庭环境中的自主抓取任务,提出了一种强调运动姿态似人特性的拟人臂动作的规划方法.该方法分为两个部分,构型规划和运动规划,构型规划基于人体工程学中广泛使用的快速上肢评估准则评价机器人运动姿态的似人特性,并在此基础上以机器人末端传速速率最优为目标规划机器人运动过程中的关键构型.运动规划结合了Fitts定律和似人运动模型规划了机器人末端的空间轨迹.本文最后以Motoman SDA10D拟人双臂机器人和Mitsubishi PA10机器人为例,具体介绍了该方法的应用和规划的结果,规划结果证明了本方法的可行性和有效性.

面向人臂三角形动作基元的拟人臂运动学

对拟人臂的运动规划问题进行了研究.通过引入动作基元的概念,将动作基元空间作为连接任务空间与关节空间的桥梁,构建了一个"关节空间-动作基元空间-任务空间"的三级运动规划框架.这种规划方式既保证了对拟人臂运动过程的控制,又简化了复杂操作任务的运动规划.在抽象的动作基元基础之上提出了一个具体的人臂三角形模型,用以描述拟人臂的运动状态.通过引入拟人臂工作平面的概念,利用坐标变换与几何分析相结合的方法详细推导并建立了人臂三角形空间与任务空间和关节空间之间的正逆运动学,为基于人臂三角形的动作基元设计奠定了基础.最后通过仿真算例验证了运动学算法的有效性与可行性.

基于分级规划策略的拟人机械臂仿人运动规划算法研究

为使拟人机械臂具有高精度的仿人运动,提出一种通过触发条件和分级规划策略的仿人运动新方法。将人臂运动过程离散为不同运动阶段,在每一个运动阶段都有与之对应的规划层,在不同的规划层中,拟人机械臂的运动特点不同。利用各自的特点建立不同规划层下的运动模型及臂姿预测指标,对拟人机械臂臂姿进行预测。最后,以NAO机器人为实验平台,比较所提方法与最小势能法(MTPE)的静态臂姿与动态臂姿预测,并与运动捕捉系统(Opti Track)采集的真实人臂运动数据进行比较。实验表明,该方法具有较小的静态臂姿和动态臂姿预测误差,能使拟人机械臂产生高度逼真的仿人运动。

(2SPS/U)&(2SPS/RR)型并联拟人机械臂的设计与运动学分析

针对现有仿生拟人机械臂连续性差、稳定性差和惯性冲击大的问题,提出了一种新型并联拟人机械臂,可以模拟人的腕关节、肘关节、肩关节动作,采用(2SPS/U)&(2SPS/RR)的二级耦合并联机构来驱动各个关节动作。为得到其运动学正反解,利用封闭矢量法和牛顿迭代法计算得到两级并联机构的运动学正反解;并将整个拟人臂的机构构型进行简化,基于D-H法对整个机构进行了位置正反解的计算和验证。

拟人全臂假手逆向建模及运动模拟

应用三维造型软件CATIA对人体手臂点云进行逆向造型,满足了上假肢外观美容的要求。同时对建立的拟人全臂假手进行运动分析及运动控制算法研究,在CATIA/DMU Kinematics模块下进行运动模拟,为上假肢的运动方案和运动轨迹设计奠定基础。

基于蒙特卡洛法的七自由度拟人机械臂工作空间分析

应用D-H法对七自由度拟人机械臂建立关节坐标系并确定杆系参数,建立机械臂运动学模型,应用齐次变换法推导出机械臂末端执行器的位姿。根据机械臂关节空间到工作空间的映射关系,提出采用蒙特卡洛法分析该机械臂的工作空间,得出机械臂工作空间的云图。为后续的机械人轨迹规划、动力学分析、运动控制和参数优化提供了参考依据。

基于Matlab的拟人机械臂工作空间分析及仿真

以拟人机械臂为研究对象,对其工作空间进行了分析。运用旋量理论建立了拟人机械臂的正运动学模型,基于蒙特卡洛法得到了该机械臂的工作空间点云图;采用按角度划分法与双参数反正切函数相结合的方法对此工作空间的边界点进行了提取,采用最小二乘法曲线拟合了所提取的边界点,求得该机械臂的工作空间。Matlab仿真结果表明,工作空间边界点的提取效果较好,曲线拟合误差较小,为拟人机械臂的后续轨迹规划和运动控制奠定了基础。在此基础上,以搬运物体为例,简要分析了双拟人机械臂的协同工作。

基于人体工程学的拟人机械臂构型综合及研究

以人体工程学为基础,对人体上肢进行运动机理分析和结构分析,结合人体解剖学和机器人学,构建12种不同的7自由度串联拟人机械臂构型。应用D-H法对筛选出的机械臂构型建立关节坐标系并确定杆系参数,建立机器人运动学模型,用Robotics Toolbox工具箱对机械臂正运动学进行仿真,对关节空间的运动轨迹进行规划,从而验证机械臂结构模型设计的合理性,为后续实现机器人动力学分析、轨迹规划和运动控制奠定了基础。

基于动作基元的拟人机械臂仿人运动规划

拟人机械臂的仿人运动作为仿人机器人的运动基础,一直都是研究的热点及难点。针对拟人机械臂仿人运动的模型多样化及运动相似性特点,提出了一种基于动作基元的拟人臂仿人运动规划算法,使拟人臂在满足仿人运动特点的基础上进一步提高运动的精度。首先,对手臂结构进行解耦,建立手臂模型,满足运动多样化要求。提出动作基元的提取法则,确定不同动作基元之间的连接方式,建立动作基元与拟人臂反解算法之间的映射关系。同时,提出了一种基于动作基元的运动框架,以满足不同拟人臂平台的仿人运动任务,实现方法的通用性。其次,针对多模型状态下的逆运动学求解问题,根据动作基元的运动特点,建立了不同动作基元模型下的拟人臂臂姿预测指标,实现拟人臂逆运动学的求解。最后,在仿人机器人NAO平台上分别进行了相似性实验验证和仿人运动实验验证。在相似性实验中,采用该方法使NAO产生仿人运动,并与实际人臂运动进行对比,运动过程中的肘部误差能够控制在1 cm以内,满足仿人运动的精度要求。在仿人运动实验中,该方法分别与最小势能法和最小二乘法进行了一组仿人运动对比,在相似度上分别提高了7%和58%。该方法的提出在保证拟人臂仿人运动精度的基础上,使复杂的仿人运动模块化、简单化、精确化。

七自由度手臂运动控制与轨迹插值

针对七自由度拟人手臂运动控制与轨迹平滑的相关问题,进行了相关运动学算法和轨迹插值算法的研究。首先,根据七自由度拟人手臂的机械结构和冗余轴运动特性,建立了基于MDH法的连杆坐标系,其次从正、反运动学建模两个方面对拟人手臂进行了运动控制描述。然后,深入研究了拉格朗日插值算法,从而构造出平滑曲线。最后,利用MATLAB的机器人工具箱和绘图工具箱对拟人手臂进行了运动和规划仿真实验,从而验证了正、逆运动学封闭解和拉格朗日插值算法的正确性。

七自由度冗余混联机械臂的动力学分析

结合人体手臂关节的运动特点,提出新型七自由度冗余串并混联拟人机械臂机构,并以该机构为例提出混联机构动力学建模方法.根据运动的传递特性,采用矢量法推导出各个构件在各关节坐标系中的速度和加速度.基于牛顿-欧拉法在各关节坐标系建立冗余混联机械臂机构的力平衡方程,由于肩关节为过约束机构,所要求解的未知量为27个,基于牛顿欧拉法所建动力学方程为24个.引入冗余约束力(力矩)引起的杆件变形与动平台位置误差的关系作为补充条件,利用小变形叠加原理补充3个肩关节机构的变形协调方程,联立方程组得到机械臂动力学全解模型.通过直线、抛物线和圆形轨迹的算例仿真结果验证动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及应用奠定理论基础.

新型PITCH－ROLL－YAW关节机构研究

通过双环解耦轴承的设计，解决了ＰＩＴＣＨ－ＲＯＬＬ－ＹＡＷ全方位腕机构运动干涉问题，并进一步设计了一种新型的能够在精确制造下不发生运动干涉的ＰＩＴＣＨ－ＲＯＬＬ－ＹＡＷ关节机构，其中关键技术是双环解耦轴承及转动导轨的设计。该关节机构无奇异现象，可用于机器人拟人臂的肩、腕关节。

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究.仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器人自重过大带来的负面影响.

HIT anthropomorphic robotic hand and finger motion control

Nowadays many anthropomorphic robotic hands have been put forward. These hands emphasize different aspects according to their applications. HIT Anthropomorphic Robotic Hand (ARhand) is a simple, lightweight and dexterous design per the requirements of anthropomorphic robots. Underactuated self-adaptive theory is adopted to decrease the number of motors and weight. The fingers of HIT ARhand with multi phalanges have the same size as those of an adult hand. Force control is realized with the position sensor, joint torque sensor and fingertip torque sensor. From the 3D model, the whole hand, with the low power consumption DSP control board integrated in it, will weigh only 500 g. It will be assembled on a BIT-Anthropomorphic Robot.