基于迭代优化和神经网络补偿的超冗余机械臂半参数动力学模型辨识

为了实现超冗余机械臂动力学模型的精确辨识,提出了一种基于迭代优化和神经网络补偿的半参数动力学模型辨识方法。首先,介绍了超冗余机械臂的动力学模型和最小参数集,建立了关节非线性摩擦模型,使用遗传算法优化回归矩阵条件数生成激励轨迹。然后建立了机械臂动力学模型物理可行性约束,基于迭代优化方法设计了两层循环网络对超冗余机械臂的惯性参数和关节摩擦模型进行辨识。最后,利用数据集训练BP神经网络,得到超冗余机械臂半参数动力学模型,并与多种算法进行了比较分析。实验结果表明:相较于传统的最小二乘算法和加权最小二乘算法,通过使用本文提出的辨识算法,关节辨识力矩残差均方根(Root Mean Square,RMS)之和分别提高了32.81%和23.76%,半参数动力学模型相比于全参数动力学模型力矩残差均方根之和提高了23.56%,辨识结果验证了辨识方法的有效性和优越性。

基于球面探索的超冗余机械臂逆解优化算法

超冗余机械臂逆运动学分析一直是机械臂领域的研究热点,存在计算复杂度高、关节超限以及位形偏移量大等问题。为避免关节超限,文章提出了一种基于球面探索的末端跟随算法,该算法采用分段搜索策略分别解决近侧关节超限和远侧关节超限的问题,自定义了无障碍物环境下末端执行器的运动轨迹,采用自适应水平位移调整机械臂的初始状态,降低关节超限的可能性。结果表明,该算法在无障碍物环境下将超限率由81.41%降低至13.72%,且该算法可以实现在关节约束范围内完成路径跟随运动。

考虑任务优先级的超冗余机械臂避障轨迹优化

针对冗余机械臂末端轨迹跟踪与避障运动冲突情况,提出一种考虑任务优先级的超冗余机械臂避障轨迹优化方法。采用雅克比矩阵对不同的任务约束实施优先级排序划分,能够保证任务的精度。构建出7自由度机械臂结构模型,利用超冗余自由度避开障碍物,发挥其运动特性,并引入臂平面和避障面,通过虚拟排斥力推导零空间运动方程。将避障空间缩小至一维空间内,运算超冗余机器臂的运动学逆解。依据逆动力学控制方法获得障碍与机械臂间最小距离值的变化,采用任务优先级转化的避障算法实现超冗余机械臂避障轨迹优化。对比实验结果表明:所提方法能够防止冲突现象发生,关节变化角度的实际值与期望值基本重合,机器人手臂与障碍物之间的平均距离维持在(0.2~0.3)m之间,完成机械臂避障轨迹优化。

绳驱超冗余机械臂结构设计与力学分析

为解决传统机械臂难以在非结构化的狭窄空间中进行探测、维修、清理等作业的问题,设计一款绳驱超冗余机械臂并进行力学分析。该机械臂整体由驱动部分与机械臂组成,在机械臂根部加装一段可伸缩杆,使它可在水平方向移动;并在每个连杆内部都加装滑轮,减少绳索与连杆的摩擦。通过ADAMS分析关节与绳索的瞬态受力情况,通过力矩平衡方法对绳索进行静力学理论分析,计算出各个关节在任意角度时绳索受力情况,验证仿真结果。利用ANSYS Workbench对受力最大的关节进行强度校核,验证其应力符合材料强度要求。

绳驱超冗余机械臂减磨设计与实验研究

以空间机械臂为载体的在轨服务技术已经成为航天领域的研究热点,绳驱超冗余机械臂相比于传统的空间机械臂,因具有灵活柔顺的构型和狭小空间操作能力,已经成为未来复杂航天任务需求的重要潜在工具。针对绳驱超冗余机械臂传动过程中因接触应力大、传递路径长从而导致的传动摩擦大、传动效率低等问题,提出了一种具有低摩擦特性的绳驱超冗余机械臂新结构,通过对传动结构优化以降低绳索传动摩擦磨损,从而提高机械臂整体性能。设计搭建绳索传动摩擦磨损试验台对绳索传动过程摩擦系数和磨损量进行实验研究,分别利用布鲁克UMT Tribo Lab多功能摩擦磨损试验机测定绳索摩擦系数和白光干涉仪观测绳索表面磨损轮廓,结果表明优化后的结构能够有效降低绳索传动摩擦系数以及减小绳索磨损量,可以提高绳索的传动效率;进一步设计搭建机械臂实验样机开展多关节协同重复运动实验,关节经过500次重复运动实验的结果表明,改进后的机械臂系统关节运动能力正常,绳索传动正常,证实了所提减磨优化设计的合理有效性。

超冗余柔性臂在狭小空间内改进RRT算法轨迹规划

为清理变电站联排变压器狭小空间内的异物,设计了一种超冗余多关节机械臂;根据机械臂的运动学特性在机器人工具箱建立了运动学模型,利用正运动学分析了万向节角度和驱动绳长,并利用蒙特卡洛法建立了机器人的工作空间;为缩短轨迹路线、减少随机树点数目,提出了基于改进后的RRT算法的轨迹规划方法,利用贪心算法进行轨迹优化,仿真结果显示路径长度减少20%且规划时间提高60%;利用多阶贝塞尔曲线进行轨迹平滑,降低轨迹路线曲率;改进后的RRT算法可以有效避障,且轨迹更为精确、曲率较小、处理速度更快,可以快速有效地完成异物清理工作。

超冗余度机械臂的路径安全性优化研究

提出了一个对超冗余度机械臂路径规划进行安全性优化的新方法 .采用一般随机路标法得到一个表示机械臂位形空间结构信息的路标 ,计算机械臂在各个位形下与障碍物之间的最小距离 ,并把此信息加到随机路标法所求的路标上 ,从而把路标转化为网格结构 .基于此网络 ,给出了一个对路径进行安全性优化的数学模型 ,利用其对超冗余度机械臂进行路径规划 .仿真结果表明 。

基于超冗余度机械臂动力学的时间最优轨迹规划

基于超冗余度机械臂的动力学方程 ,提出了一种超冗余度机械臂同时受速度和力矩约束的时间最优轨迹规划方法 .它首先采用 B样条曲线拟合无碰撞离散路径 ,得到由伪位移参数 s表示的超冗余度机械臂连续、光滑运动路径 ,然后对动力学方程和约束方程进行数学变换 ,得到由 s表示的动力学方程和约束方程 ,最后以 s和伪速度 s· 分别作为动态规划的阶段变量和状态变量 ,对超冗余度机械臂进行时间最优轨迹规划 .仿真结果表明 ,所给出的时间最优轨迹规划算法是正确的 。

超冗余度桁架机械臂的容错逆运动学仿真

超冗余度桁架机械臂路径规划中的逆运动学解算为一非线性优化问题,桁架机械臂冗余度高,容错性好,由于传统方法速度和收敛性较慢,冗余性和容错性未能得到很好的利用。为解决此问题,引入收敛速度较快的对偶内点法,针对问题规模较大占用内存多的特点,设计了一种基于稀疏矩阵向量相乘的减小内存方案。搭建了仿真平台,进行了三组正常和故障状态逆向运动学仿真解算,结果表明:该方法收敛性好,解算迅速,在故障状态下的逆运动学解算也较为理想,适用于进一步实际应用。

超冗余移动机械臂逆运动学快速求解的两种方法比较

超冗余移动机械臂的逆运动学求解一直是机器人领域研究的热点,特别是逆运动学求解过程中导致的计算量大、机械臂的位形偏移量大及能耗大等问题还未得到有效解决。因此本文给出基于几何方法的超冗余机械臂逆运动学快速求解算法,并分析了两种关节位置更新策略的能耗。第一种关节位置更新策略为"关节落在连线上",即更新后的关节位置落在该关节的目标点和与其相连的前一个关节的连线上;第二种关节位置更新策略为"关节落在轴线上",即更新后的关节位置落在前一时刻的该关节和与其相连的前一个关节的轴线上。从运动过程中关节跟踪角度变化范围多少出发,比较超冗余移动机械臂在这2种关节更新策略下运动特点。实验结果显示,方法 1具有关节移动范围小,移动距离短的特点。方法 2具有各个关节都有相似的运动轨迹,机械臂的末端跟随效果好的特点。

超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析

超冗余度机械臂具有大长径比、多自由度、高灵活性等特点。为提升其穿越受限空间的效率,提出一种适用于该机械臂三维空间深腔探测的跟随末端轨迹运动算法。在底座进给运动配合下,机械臂的连杆和关节沿规划路径移动,并使得机械臂与路径曲线偏差尽可能小。为提高算法效率,提出一种迭代步长顺序查找法来实现机械臂的关键点与离散路径曲线快速匹配;为减小路径跟随误差,提出一种线性插值优化方法减小因路径离散处理引起的误差。通过12个关节的超冗余度机械臂的仿真试验,从位置精度、运动平顺性、算法效率三方面对算法性能进行评价。结果表明,在保证路径跟随误差不超过5μm的情况下,机械臂的运动平顺,单周期计算耗时为1 ms左右。算法适用于空间三维运动,且算法效率满足实时控制要求。

基于移动机器人的运动学半物理系统的规划方法

针对基于移动机器人的半物理系统运动精度较差,需要机械臂对移动机器人进行实时精度补偿的问题,提出了一种以超冗余机械臂为规划对象的整体规划方法。该方法将整体系统等效为一个超冗余机械臂,并且根据该超冗余机械臂的自运动特性调整关节构型,使其远离关节极限并且最大化灵活操作能力,为后续的实时补偿控制创造条件。最后将该算法在实际搭建的基于移动机器人的半物理系统上进行了实验,实验结果验证了该算法的必要性和有效性。