基于改进A*算法和可操作度的移动机械臂运动规划研究

针对移动机械臂在室内环境下规划时间长、取放运动可操作性差等问题,提出了改进常规A*算法,以机械臂可操作度值作为评价标准,确定最佳停靠位置并进行系统运动规划的方法。首先,在常规A*算法的基础上,将8个搜索方向简化为5个,以提高搜索效率;同时,设计了一种新的启发式搜索函数,将Floyd算法引入到A*算法中,增加路径的平滑度。仿真结果显示,改进后的A*算法相比常规A*算法运行时间缩短59.1%,路径长度减少3.5%,搜索节点数减少41.6%。其次,根据机械臂的可达工作空间与雅可比矩阵,评估移动机械臂在待取放目标物体附近不同位置下的可操作度值,优化停靠位置,从而提高取放运动的可操作性。最后,采用由DIY机械臂和Turtlebot2移动机器人组成的移动机械臂系统,在室内环境中完成了运动规划综合实验,验证了所提方法的有效性和可靠性。

双臂空间机器人可操作度分析及其构型优化

利用传统的操作度概念,分析多臂空间机器人的可操作度,特别是基座和辅助臂的耦合效应对任务机械臂的操作度的影响。进而利用基座姿态最小扰动和可操作度指标对多臂机器人机械臂的构型进行优化。最后对平面双臂空间机器人进行数值仿真,并分析耦合效应对可操作度的影响以及在多臂构型优化中的应用。仿真结果表明本文的研究方法及结果可指导在轨服务中的近距离双臂协调交会、软对接和抓捕操作,具有较强的工程应用价值。

冗余度机器人基于任务的方向可操作度研究

分析了机器人传统可操作度概念在实际应用中的不妥之处 ,定义了基于任务的方向可操作度 ,给出了其解析表达式 ,并利用方向可操作度作为目标函数进行冗余度机器人的运动学优化 .仿真结果表明 ,同传统的可操作度相比 ,基于任务的方向可操作度更具有实际应用意义 .

基于姿态可操作度的机械臂尺寸优化方法

为解决机械臂尺寸优化设计问题,首先定义了表征灵活性的数值指标——姿态概率系数,即指定工作点上可行样本姿态与所取样本姿态之间的比值;之后根据姿态概率系数提出了姿态可操作度概念,它表征了机械臂在工作空间上的整体可操作性.在此基础上,提出了机械臂尺寸优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以机械臂自身无碰撞为约束条件,以姿态可操作度的倒数为适应度函数,利用遗传算法优化机械臂的尺寸参数,使优化后机械臂的可操作性最优.以六自由度(DOF)机械臂为例的优化结果表明:优化后机械臂姿态可操作度提高了40.33%.最后利用灵活性工作空间图进一步验证了算法的有效性,并讨论了姿态概率系数对优化结果的影响.

并联机器人可操作度分析的蒙特卡罗方法

对蒙特卡罗法生成的并联机器人工作空间上的随机点分布不均匀性进行了研究,基于多维随机变量函数的分布密度公式,推导出蒙特卡罗法生成的并联机器人工作空间点概率密度与雅可比行列式的关系式,建立了输出空间概率密度与并联机器人可操作度之间的关系。以平面两自由度5R并联机器人为研究对象,采用蒙特卡罗法分析了其工作空间上的可操作度,并根据工作模式将输入空间划分成4个子空间,指出了子空间交界处的逆向奇异性。仿真结果表明,蒙特卡罗法是分析并联机器人可操作度和逆向奇异的一种有效方法。

基于可操作度的单冗余度机器人容错性指标

当冗余度机器人关节出现故障时 ,必将影响其灵活性 .即使正常操作时具有较高的灵活性 ,如果关节出现故障也可能导致雅可比矩阵奇异 ,致使机器人不能沿任意方向运动 .针对单冗余度机器人出现一个关节故障的情形 ,用可操作度分析此类机器人的容错性 ,并提出新的运动学和动力学容错性评价指标 ,所给指标计算量小、易于在线实时运算 ,最后给出优化算例 ,证实了所给评价指标的有效性 .

基于条件数约束的方向可操作度

现有灵活性指标——方向可操作度在规划过程中往往会出现条件数较大的情况,不利于控制。针对这一问题,提出基于条件数约束的方向可操作度这一新指标,分析该指标的偏导随条件数增大的变化情况。当条件数较小时,指标主要受方向可操作度的影响;条件数不断增大时,方向可操作度对指标的影响逐渐削弱,条件数对指标的影响不断增大。通过优化侧重点的改变,该指标能使优化结果的条件数小于任务要求的最大条件数的同时最大限度地保留方向可操作度。平面3R、BUAA-RR机器人的数值仿真和平面3R机器人的试验研究证明新指标的优越性。此外,将该指标应用于冗余度机器人的容错操作这一特殊领域,它可以使机器人在运动中任何时刻重构的新机械臂在任务方向上具有较高的操作能力,并且能够保证条件数较小,避免奇异情况的发生。

基于速度方向可操作度的机器蛙机构参数优化

以速度方向可操作度作为跳跃性能的评价指标,从机构设计角度寻求改善仿蛙跳跃机器人跳跃性能的方法.在仿蛙跳跃机器人机构模型的基础上,建立了起跳阶段的运动学方程,得到机器人从关节空间到质心运动空间的速度映射关系,结合速度方向可操作度,利用优化算法对仿蛙跳跃机器人的机构参数进行优化,使机器人的跳跃性能达到最佳.优化结果表明,运用速度方向可操作度理论,对跳跃机器人机构参数进行优化研究是有效可行的.

一种全方位移动机械手的可操作度分析

将机械手可操作度的概念推广到移动机械手,定义了广义可操作度。建立了基于全方位移动平台的移动机械手的广义运动学模型。在广义可操作度概念的基础上,分析了全方位移动平台对机械手奇异位姿、可操作度及方向可操作度的影响,并与受非完整约束的差分移动平台对机械手的相应影响进行了比较。

基于方向可操作度的机器人灵巧手抓持优化研究

以三指灵巧手的速度可操作性椭球和力可操作性椭球研究为基础,定义了机构的速度方向可操作度和力方向可操作度。在给定灵巧手操作位姿的条件下,以方向可操作度为目标函数,给出了灵巧手最佳传速方向和传力方向的优化方法。最后,以三指灵巧手为算例进行演示,得出了灵巧手在给定位姿下的最佳传速方向和传力方向,为灵巧手的抓持规划提供了值得借鉴的方法。

机械臂工作空间全局相对可操作度图的构建方法

针对机械臂工作空间的灵活性问题,提出了一种全局相对可操作度图的构建方法。该方法首先将机械臂工作空间进行网格化处理,得到离散位置;然后在离散位置的均布小球上建立直角坐标系,通过绕坐标轴旋转的方式完成机械臂姿态的离散;而后将每个离散位置上的位姿进行逆运动学解算,并计算得到该位置上的最大相对可操作度;最后采用可视化的方法绘制出机械臂工作空间的相对可操作度分布图,进而揭示机械臂在其工作空间内的灵活性分布规律。该方法为机械臂的设计提供了相关理论依据,为机械臂的任务操作规划奠定了基础。

冗余度机器人的可操作度和有限制条件下的最优轨迹规划

本文以冗余度机器人的逆运动学为基础，引入了扩展雅可比矩阵的概念；给出了便于讨论可操作度的几个重要定理；推导出了一般限制条件下的逆运动学最优解与最小范数解的关系．这对冗余度机器人的最优轨迹规划有重要意义．

基于全局可操作度的6R机械臂尺寸优化方法

针对服务机器人六自由度模块化机械臂,对其结构尺寸参数进行优化分析。定义机械臂工作空间全局可操作度指标,建立位姿坐标系,结合机械臂的逆解计算出位姿可达度,提出机械臂全局可操作度指标。以该指标的最大值作为优化目标,应用遗传算法对机械臂的连杆尺寸参数进行优化,得到优化后的连杆尺寸和全局可操作度并绘制出优化前后的机械臂工作空间操作能力地图。仿真结果表明:优化后的机械臂全局可操作度明显提高,对比工作空间能力地图,进一步验证了机械臂尺寸优化算法的有效性。

基于最优初始位形的冗余度机器人可操作度优化

冗余度机器人的初始位形对关节轨迹规划有很大影响。提出了一种基于最优初始位形的机器人可操作度优化方法,在以可操作度为性能指标对机器人的关节轨迹进行规划时,如果以优化出的可操作度最优的位形为初始位形,就可以提高执行任务初期的可操作度。算例仿真结果表明,这种基于最优初始位形的机器人可操作度优化方法可以提高机器人在执行任务开始时的可操作度,免去初期的调整过程,使其在整个运动过程中一直处于灵活性很高的位形。

基于可操作度的机械臂尺寸优化设计

为提高机械臂的操作灵活度,提出了一种以机械臂可操作度为评价指标的尺寸优化方法。在对机械臂进行运动学分析的基础上,求出机械臂的雅克比矩阵,并由此得到机械臂可操作度的表达式,采用遍历法求得机械臂工作空间内大量点可操作度的平方和—总体可操作度,以此对机械臂的尺寸进行优化。这一方法准确地结合工作空间对机械臂可操作度进行研究,求得机械臂的最佳结构参数。通过对仿真结果分析,可知所提出的方法不仅能满足机械臂工作空间要求,且明显提高了可操作性能。

双臂机器人机构协调运动方向可操作度研究

在机器人机构速度可操作椭球的基础上,定义了双臂机器人机构速度和角速度方向可操作度,以方向可操作度为目标函数,给出了最佳传速方向和最佳操作位形的优化方法.

2TPT-PTT并联机器人可操作度的研究

介绍了一种新型的2TPT-PTT三自由度并联机器人。建立了运动学方程,求出了其正逆解。给出了雅可比矩阵,通过机构可操作度的分析,对机器人的操作性能进行了研究。研究结果表明:该机构运动学正逆解简单、不存在奇异点、具有良好的操作性能。

基于可操作度的移动机械臂路径规划研究

针对移动机械臂系统在复杂室外环境中的作业需求,该文提出一种结构化环境下移动机械臂路径规划方法。首先根据移动机械臂的结构特点,将其分为移动平台子系统和机械臂子系统,并建立其运动学模型;然后求解机械臂雅可比矩阵,从而进一步分析在工作空间内可操作度性能指标对灵活性的影响,得到分层之后的灵活工作空间;最后基于机械臂所处不同灵活工作空间,得到移动机械臂的路径规划方法。利用Matlab对移动机械臂系统路径规划方法进行仿真,采用四轮独驱移动平台搭载6Do F UR10机械臂开展实验,结果表明该方法合理、有效,规划的路径满足移动机械臂实际工作需求。

双臂机器人机构速度和力方向可操作度研究

在机构速度、力可操作椭球基础上 ,定义了双臂机器人机构速度和力方向可操作度 ,以方向可操作度为目标函数 ,给出了机构最佳传速、最佳传力方向和最佳操作位形的优化方法 。

基于速度方向可操作度的冗余机器人关节轨迹优化

针对冗余度机器人机构的关节轨迹优化进行研究。在机器人速度可操作椭球和方向可操作度的基础上,定义冗余度机器人速度方向可操作度,以速度方向可操作度为性能指标,给出了冗余度机器人关节轨迹优化的一种新的方法。与伪逆优化结果比较,本文优化方法使得机器人速度方向可操作度达到期望值的时间明显减少,在给定方向上的传速性能得到显著改善。