冗余铺放机器人的自运动流形及逆解优化研究

针对用于复合材料铺放成型的八自由度冗余机器人系统的逆运动学问题,提出了一种求解其自运动流形及逆解优化的算法。首先,基于位姿分离思想定义了位置子流形和姿态子流形,采用几何求解法得到了基于自运动变量的参数化方程形式的位置子流形和姿态子流形;然后,根据机器人的关节约束和实际铺放工艺过程,对给定的铺放位姿进行了位置子流形和姿态子流形配对的仿真,并用流形中若干组逆解通过正向运动学得到了末端位姿矩阵(其结果均与给定位姿相符,从而验证了自运动流形求解过程的正确性);最后,在完成自运动流形求解的基础上,从机械臂运动的平滑性和关节运动变化量两个方面出发,提出了一种基于自运动变量参数化方程的全局优化目标函数;以飞机尾椎模型为实验研究对象,对其中一条铺放路径进行了逆解全局优化仿真,得到了自运动变量和机器人各关节角在铺放路径上的优化曲线,将仿真结果与一种多目标优化算法进行了比较。研究结果表明:针对相同的铺放路径,采用上述优化算法后关节角变化总量降低了11.25%;该算法能够有效地求解八自由度冗余铺放机器人系统的自运动流形,基于全局优化目标函数,其能够在自运动流形中寻找出自运动变量和机器人各关节的最优解。该算法同样也适用于其他位姿解耦的冗余机器人系统逆解问题的求解。

7自由度冗余手臂的自运动流形

定义适用于位姿解耦的冗余度机器人的位置子流形和姿态子流形,根据位置子流形和姿态子流形性质的不同将末端操作器位姿空间分割为三个子空间,以矢量代数为工具用参数方程的形式给出各子空间中机构的位置子流形和姿态子流形,将位置子流形和姿态子流形配对得到了机构的自运动流形。最后以第一个子空间为例,对机构的自运动进行仿真,求解给定点的自运动流形并用正解进行了验证。这种利用位置子流形和姿态子流形配对来研究自运动流形的方法,同样适用于其他形式的位姿解耦的冗余度机器人。

机器人航天员冗余机械臂自运动优化

为增强机器人航天员的工作能力,机器人航天员的手臂采用七自由度仿人机械臂。根据S-R-S构型七自由度冗余手臂的结构特性,采用臂型角参数化的方法求解运动学。该方法将冗余机械臂的自运动用臂型角来描述,通过对臂型角的二次优化来限制机械臂的自运动。为了使仿人臂处于一种自然的构型和姿态,定义了"偏离中心度"的指标来表示关节偏离中心位置的程度,通过这个评价指标来描述仿人臂的最优位形,从而建立自运动优化函数。采用具有线性减小惯性权重的粒子群优化算法来寻找自运动优化函数的最优解。最后在机器人航天员平台进行验证,可以快速有效地完成冗余手臂自运动优化。

相机自运动参数的鲁棒性估计

相机自运动估计是视觉导航中的关键技术之一,主要是通过分析相机在不同位置拍摄到的场景图像来获取相机的运动信息。从数学上讲,相机自运动估计已经形成了完备的理论基础,但是由于图像中包含大量的噪声,会使算法的性能大幅度降低,因此,如何提高自运动估计的鲁棒性是当前面临的主要问题。主要研究了基于匹配点对的自运动估计的鲁棒性问题,其核心思想是:同时利用多种算法进行自运动参数估计,从中选择最优的估计结果以提高算法性能。首先利用SIFT特征提出两幅图像中的匹配点对,然后采用一种匹配点对选取策略减小匹配点对的错误率。利用多种方法对基本矩阵进行估计,依据成像约束关系从中选择最优估计,以获得最佳估计结果。最后利用仿真数据和实验图像对算法进行验证,实验结果表明了算法的有效性。

基于自运动的仿人七自由度机械臂逆解算法

基于七自由度(seven degrees of freedom,7-DOF)机械手臂的结构和自运动特性,提出通过对关节位置进行几何分析,求解机械臂逆运动学的方法.该方法在自运动构型的基础上,以0坐标系为其他坐标系的基系,根据同一向量在不同坐标系之间的投影特性与关节角之间存在着的对应关系,实现对七自由度机械臂逆运动学的求解.该方法能够求解出针对任一特定末端位姿的所有理论逆解.通过引入机械臂优化的二次目标,对所有理论逆解进行优化,可得最优逆解用于机械臂控制.与梯度投影法等通用算法相比,该方法具有直观简练、计算量小等优点,且不同的末端位姿求解过程互不影响,对系列性末端位姿连续求解不存在累积误差.

7自由度自动铺丝机器人参数化的自运动流形

提出了一种分析冗余自由度机器人运动学逆解的自运动流形方法。对冗余自由度机器人工作空间中的点,根据关节空间流形和工作空间流形之间的映射关系,采用点的自然坐标作为独立的运动参数来分析冗余自由度机器人的自运动流形,然后把所提出的方法应用到7自由度自动铺丝机器人的自运动流形分析中,得出7自由度自动铺丝机器人的自运动流形。把采用参数化分析方法得到的7自由度自动铺丝机器人的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线进行对比,结果发现,采用参数化的分析方法得到的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线高度吻合,所以采用参数化的分析方法来求解冗余自由度机器人的自运动流形,是求解冗余自由度机器人运动学逆解的一种有效方法。

基于二次型规划的平面冗余机械臂的自运动

提出一种基于二次型性能指标的方法,用于规划平面冗余机械臂的自运动轨迹.鉴于实际的机械臂都存在关节物理约束,该自运动规划方案考虑了关节极限和关节速度极限的躲避.提出了基于线性变分不等式的原对偶神经网络,并将其作为所对应的二次型规划方案的实时求解器.仿真结果证实了该基于神经网络的自运动规划方案的有效性.

基于分离速度的七自由度仿人手臂自运动研究

首先分析了一种七自由度冗余仿人手臂的运动学正问题 ,然后求解了其雅克比矩阵 ,最后基于分离速度控制法 ,利用求得的雅克比矩阵对其进行自运动分析实验。实验结果表明 ,分离速度法求运动学逆问题 ,本质上是一种速度积分方法 。

平面4R冗余度机器人自运动中的混沌现象

基于反馈线性化控制理论推导出对应于平面 4R刚性冗余度机器人零空间中的杆件自运动的零动态方程 ;通过混沌分析的数值方法 ,首次找到了该冗余度机器人自运动状态与其零空间中的矢量的关系的统计规律。

单目变焦摄像机自运动的标定测量法

为了在单目摄像机变焦情况下测量其自运动参数,提出一种单目变焦摄像机自运动的参数标定测量法。在飞行平台着陆过程中,固连其上的单目俯视摄像机对包含已知世界坐标的特征点的静态着陆平面进行连续拍摄,该方法利用单帧图像可解算得到摄像机拍摄当时的等效焦距及其相对于着陆平面的6自由度位置,结合多帧信息即可对摄像机自运动的运动速度进行估计,进而转换为飞行平台的着陆运动参数。实验结果证明该方法可行有效。

冗余度机器人优化的自运动控制方法

提出一种冗余度机器人优化控制方法，通过自运动变量的选取，构造出以自运动变量作为状态变量的冗余度机器人优化控制结构，并由此得出冗余度机器人优化控制的新算法。这种方法可以对冗余度机器人的运动学、动力学等多种优化进行统一处理，具有较好的通用性；同时将冗余机器人运动学和动力学求优化解的过程，转化为非冗余度机器人求解，以便直接利用各种高效率的非冗余度机器人计算方法。

基于视觉序列图像的月球车自运动估计技术

月球车视觉所获得的环境信息是月球车进行导航的重要信息来源,给出了一套利用月球车立体视觉系统所获得的序列图像来估计月球车运动参数的定位方案,并重点解决了后期的定位问题。该方案首先通过特征提取、特征跟踪与特征匹配等图像处理环节建立运动估计所需要的特征匹配点集,然后针对运动参数估计这一难点,利用鲁棒运动估计方法有效消除匹配特征点集中的误匹配,并初步估计月球车运动参数,以此为迭代初值利用Levenberg-Marquardt非线性估计算法精确估计月球车运动参数,最后通过建立运动估计仿真器验证了该运动估计方案的有效性。

冗余度柔性机器人自运动规划新方法

柔性机器人的末端运动精度是人们追求的重要指标 ,对其进行规划具有理论和实际意义。本文提出了一种新的自运动规划策略 ,在保证柔性机器人实现预定运动任务条件下 ,利用机器人的冗余度 ,通过优化机器人各关节的自运动 ,降低柔性机器人末端在运动过程中由于弹性变形引起的误差。文中给出了一空间 4R柔性机器人的仿真实例 ,结果表明这一方法具有全局性和易于控制。

柔性冗余度机器人自运动中的混沌

研究了柔性冗余度机器人的自运动状态 ,通过将其中的柔性连杆简化为Euler-Bernoulli梁建立了柔性冗余度机器人的运动学模型。运用混沌数值分析法中的相图法、Poincare映射法和最大Lyapunov指数法发现了该类机器人自运动中的混沌现象。对一个末杆是柔性连杆的平面 3R柔性冗余度机器人的自运动状态的研究结果表明 ,基于Jacobian矩阵的伪逆法求解该柔性冗余度机器人采用PD调节器控制其末端重复跟踪工作空间内的一条封闭路径时的运动学逆解 。

一种位姿耦合式冗余度机器人的自运动流形

位姿耦合的冗余度机器人用传统的求解矩阵方程法不易得到其自运动流形的解析解。笔者基于运动等效思想将末端操作器的位姿看作是关节顺次运动的结果,以向量代数为工具给出了一种串并复合、位姿耦合的冗余度机器人自运动流形的解析求解方法,在此基础上深入讨论末端操作器各位移子群中元素对应的自运动流形的不同,给出自运动流形的解析表达式。最后通过末端操作器两个常用位移子群中自运动流形的算例和相关实验验证了自运动流形求解算法的有效性。

基于二次型优化的不定目标自运动规划方案及PA10机械臂仿真验证

提出一种基于二次型性能指标优化的方法来规划冗余机械臂的不定目标自运动,该方案能同时考虑关节极限和关节速度极限等物理约束,并通过两种不同方法完备且详细地分析了该二次型性能指标的设计原理.基于PA10机械臂的计算机仿真结果证实了该方案的可行性和有效性.

基于鱼眼相机的自运动参数异步估计

自运动参数估计是辅助驾驶、机器人导航等领域的核心问题之一.本文提出了一种适用于鱼眼相机的自运动参数异步估计方法.该方法通过特征分类及虚拟面投影,对旋转运动参数和平移运动参数分步估计.解决了以往算法中,旋转参数和平移参数同时估计时,二者相互影响的问题,提高了估计精度.本文首先利用平台运动特性简化相机运动模型,并根据不同距离不同位置的景物对运动参数估计的作用,对背景特征进行分类.分析并推导了各类特征的运动规律.然后根据运动规律,利用远处背景及一般背景特征估计旋转运动参数,利用地面特征估计平移运动参数.实验结果表明,本文方法不易受光照和干扰点影响,同一些经典方法相比,本文方法更具准确性和鲁棒性.

冗余自由度机器人的自运动控制和动态性能优化

关节空间自运动可能出现失控是大部分冗余自由度机器人动力学优化算法都存在的问题。本文分析了产生此问题的原因，提出了解决问题的途径，在此基础上提出的两种算法不但能够处理此类问题，而已实现了关节速度模和关节刀矩的同时优化，即运动学和动力学指标的同时优化。

冗余机器人的双向自运动路径规划

冗余机器人的自运动路径规划是在保持手端任务向量不变的情况下,在关节空间内寻找一条连接机器人初始关节构形和期望关节构型的几何路径.本文给出一种双向自运动路径规划算法,其基本思想是使位于初始关节构形的真实机器人和位于期望关节构形的虚拟机器人在自运动流形上运动并收敛到同一关节构形,从而得到一条连接初始和期望关节构形的自运动几何路径.该算法克服了以往算法容易陷入局部极小构形的缺陷.仿真结果证实了算法的有效性.

七自由度自动铺丝机器人的自运动流形分析

定义了位姿解耦的冗余自由度机器人位置关节空间流形和姿态关节空间流形,将位置关节空间流形和姿态关节空间流形进行配对得到冗余自由度机器人的自运动流形。利用定义的位置关节空间流形和姿态关节空间流形对七自由度自动铺丝机器人进行分析,分别得出七自由度自动铺丝机器人的位置关节空间流形和姿态关节空间流形,配对以后得出七自由度自动铺丝机器人的自运动流形,并进行了仿真验证,结果表明这种分析方法得到的自动铺丝机器人的自运动流形是正确的,而且对于其他类型位姿解耦的冗余自由度机器人自运动流形分析也是适用的。