基于强化学习的多段连续体机器人轨迹规划

针对多段连续体机器人的轨迹规划问题,提出了一种基于深度确定性策略梯度强化学习的轨迹规划算法。首先,基于分段常曲率假设方法,建立连续体机器人的关节角速度和末端位姿的正向运动学模型。然后,采用强化学习算法,将机械臂的当前位姿和目标位姿等信息作为状态输入,将机械臂的关节角速度作为智能体的输出动作,设置合理的奖励函数,引导机器人从初始位姿向目标位姿移动。最后,在MATLAB中搭建仿真系统,仿真结果表明,强化学习算法成功对多段连续体机器人进行轨迹规划,控制连续体机器人的末端平稳运动到目标位姿。

空间小碎片抱捕用连续型机器人结构综述

空间小碎片的抓捕任务需要空间机器人在没有合作信息的情况下对目标进行抓捕,连续型机器人本体可在缺少抓捕对象精确测量信息的条件下,直接利用大容差实现高可靠抱捕任务。文章针对连续型机器人在空间小碎片抓捕领域的应用需求,对连续型机器人的驱动方式,以及绳驱动连续型机器人的主干、关节进行详细的调研和对比分析,在此基础上提出绳驱动连续型机器人结构设计需关注的关键问题,最后针对应用于空间抱捕任务的连续型机器人结构技术的未来发展进行展望。

基于柔性传感器的绳驱动连续体机器人反馈控制

鉴于绳驱动连续体机器人独特的柔顺性使得其骨架变形难以通过传统的刚性传感器测量,另一方面,基于分段常曲率假设建立的运动学模型开环控制存在位置精度低的问题。本文以模块化设计的绳驱动连续体机器人为研究对象,利用了一种弹性磁电应变传感器并建立了多元回归模型实现机器人形状感知。通过一种运动空间映射方法实现了机器人柔性臂在三维空间内的闭环反馈控制。最终搭建了机器人样机平台并进行实验验证。结果有力地证明了基于柔性传感器的反馈控制方法的可行性和准确性。

最远距离命中移动靶心的自主连续体机器人——世界纪录介绍

针对连续体机器人利用视觉感知实现对外部目标瞄准跟踪控制问题,大连理工大学彭海军教授团队设计研发了一款基于视觉伺服的自主连续体机器人.经世界记录认证(WRCA)官方现场严格测试,该机器人被认定为“最远距离命中移动靶心的自主连续体机器人”,最远有效跟踪距离为30.129米.

基于连续体机器人技术的金针菇自动采收装置设计

在现有的金针菇工厂化产线中,滤光罩拆卸、金针菇采收、金针菇切根3道关键工序仍需人工完成,效率低下,且人工成本高昂。为提高工厂的自动化程度及金针菇生产效率,对金针菇的产线方案进行搭建,模块化设计一种金针菇自动采收装置,将3道工序集成为一体。结合连续体机器人技术设计一种绳驱动金针菇柔性夹爪,解决自动化实现金针菇无损采收这一核心问题。同时在环保的角度进一步完善产线,产线中对滤光罩与切割后的金针菇根壤分别进行回收,实现金针菇产线的废料回收再利用。

柔性连续体机器人建模与控制综述

柔性连续体机器人是一类受生物仿生结构启发而诞生的新型机器人,该型机器人由弹性材料组成,能够产生连续变形并进行大幅度形变,具有结构柔顺性强、灵活性高等优点。连续体机器人能够弥补传统刚体机器人应对复杂环境能力不足的缺点,因而被广泛应用于工业、灾难搜救、设备检修、航空航天与医疗等领域,成为新一代机器人发展的热点。本文主要整理了近年来关于连续体机器人的研究成果,从连续体机器人研究背景、建模方法、控制方案3个方面进行综述,展开介绍了连续体体机器人结构与设计驱动方式和连续体机器人在实际中的应用;针对连续体机器人的建模方法,从运动学与动力学建模层面进行介绍,分析了连续体机器人的主要控制方案,阐述了连续体机器人在控制设计中需要注意的问题;最后从系统集成化与开放化、智能化人机交互、多模态信息融合等方面对柔性连续体机器人的发展方向进行了展望。

面向管道检测的连续体机器人主从控制研究

针对遥操作技术在连续体机器人应用中存在可移动性差、环境适应能力低与价格高昂等问题,提出一种连续体机器人主从控制方案。在常曲率圆弧假设下基于几何分析法建立连续体机器人的运动学模型,并在MATLAB软件中采用蒙特卡罗法对其工作空间进行仿真分析;建立主手关节空间与从手关节空间之间的映射模型,并提出一种基于主从映射模型的连续体机器人控制方法;最后搭建连续体机器人样机平台,分别通过运动控制实验、主从跟随实验和模拟管道通过实验对建立的运动学模型和主从控制方法进行验证。实验结果表明:连续体机器人具有较好的轨迹控制性能,验证了主从控制方法的有效性和准确性,满足了连续体机器人在管道内检测过弯的控制需求。

最小弹性势能变化为目标的连续体机器人的构形规划与控制

针对连续体机器人的运动规划与控制问题,提出了一种基于最小弹性势能变化的连续体机器人的构形规划与控制方法。首先,基于Cosserat杆件模型建立了连续体机器人的动力学模型。其次,采用贝塞尔曲线表示连续体机器人的曲率,以最小弹性势能变化为目标函数,通过协方差矩阵自适应进化策略(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy,CMAES)实现了连续体机器人的实时构形规划。接着,在考虑控制输入饱和的约束下,设计了一种参数自整定滑膜控制器,并且通过Lyapunov稳定性分析,验证了该控制系统的稳定性。最后,仿真模拟结果验证了所提出的构形规划与控制方法的正确性和有效性。

基于神经网络的连续体机器人运动学研究

目前,连续体机器人多采用常曲率或样条曲线建立运动学模型,这些建模方式忽略绳索变形量、间隙等非线性因素,导致机器人运动精度较差,难以实际运用。文中采用神经网络方法建立了连续体机器人运动学模型,通过分析其驱动空间、操作空间和关节空间三者的映射关系,配置神经网络拓扑结构,根据性能要求选择合适的激励函数并设置模型精度,通过反向传播算法保证模型精度,同时使用自适应调整学习率算法和添加动量项的方法减少振荡,提高收敛速度。最后,设计轨迹跟踪仿真实验验证运动学模型,实验结果表明,通过该方法建立的模型具备较高的精度,可应用于实际机器人运动学建模。

模块化连续体机器人设计及实验分析

分析国内外连续体机器人类型,结合象鼻运动时内部肌肉组织结构变化特点,提出一种模块化连续体机器人。该机器人整体结构通过单元模块串联组成,可以完成二维平面内的弯曲和伸展动作,实现不同的包络形态。通过建立机器人相邻模块静力学模型,推导出相邻模块张角大小与驱动力的函数关系。进而组装搭建连续体机器人控制系统,通过实物包络实验,验证新型模块化连续体机器人包络机构的可行性。

连续体机器人结构设计及运动学分析

为解决特殊服役环境下机器人工作空间受限的问题,设计了具有柔性骨架的连续体机器人结构,包括两个驱动单元。通过两个驱动单元控制柔性齿轮齿条的运动,实现连续体机器人在平面空间内的多样化与高度适应性运动。建立了连续体机器人等价RPR运动学模型,并采用顺序最小二乘规划给出了连续体机器人的逆运动学解。借助MATLAB软件,对所设计连续体机器人的运动空间和运动轨迹进行仿真。仿真结果表明,其运动空间明显增大,可以有效避免内部出现比较大的空洞,同时,运动轨迹跟踪证明了其逆运动学求解的正确性。

沈阳自动化所在连续体机器人主动避障控制方面研究取得新进展

中国科学院沈阳自动化研究所刘浩研究员与友谊医院张忠涛教授在连续体机器人的主动避障控制方面研究取得新进展,2023年12月18日,相关成果以Active collision avoidance for teleoperated multi-segment continuum robots toward minimally invasive surgery为题在The International Journal of Robotics Research线上发表。

线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真

连续型机器人是一种柔顺、灵活性高的新型仿生机器人。与串并联机器人等传统的离散型机器人由离散的关节和连杆组成的结构不同,这种柔性的'无脊椎'机器人由柔性支柱构成,而没有任何刚性关节和连杆,因此无法利用传统的D-H方法对其进行运动学分析。在分析连续型机器人不同于传统离散型机器人的基础上,利用几何分析的方法提出一种简练、直观的线驱动连续型机器人运动学算法,对其单关节驱动空间、关节空间以及操作空间的映射关系进行分析,并描述其三维工作空间。针对线驱动机器人多关节之间存在耦合影响的问题,推导线驱动连续型机器人的两关节解耦运动学。同时在Matlab下对机器人末端位置和驱动线长度变化曲线进行仿真研究,并进行原理样机试验,验证了运动学算法的正确性并展示了其运动能力。

连续型机器人研究综述

连续型机器人是一种新型的仿生机器人,采用"无脊椎"的柔性结构,不具有任何离散关节和刚性连杆.其弯曲性能优良,对障碍物众多的非结构环境和工作空间狭小的受限工作环境适应能力强,不仅可以像传统机器人那样在其末端安装执行器以实现抓取和夹持等动作,还可以利用其整个机器人本体实现对物体的抓取.本文对连续型机器人的仿生原理与结构特点进行了分析,介绍了连续型机器人的研究现状,并对其潜在应用领域和未来研究工作进行了探讨和展望.

基于目标导向的连续型机器人路径规划

采用连续型机器人对空间约束严格的飞机油箱进行检查,研究了其在类似凸体空间内的路径规划问题,提出一种基于目标导向的规划算法.针对空间盲目搜索算法时间复杂度高问题,研究降维和区域划分策略.引入目标导向角,建立目标点与变量搜索范围的关系,优化搜索过程并设计评价函数对搜索结果寻优.进行仿真实验,结果验证了算法的可行性和有效性.

丝驱动连续型机器人的建模与避障控制

连续型机器人是一种基于章鱼触手、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,其不具有刚性连杆和离散关节,因而具有优越的柔顺性和灵活性,在微创手术、狭小环境探测救援、空间操作等领域具有非常广阔的应用前景,逐渐成为新的研究热点.然而它的柔顺性和超冗余的特点也给连续型机器人的建模和控制带来了极大的考验.针对以上问题,搭建多模块丝驱动连续型机器人物理样机,并基于堆叠的两自由度并联机构拟合机器人本体构型,利用DH参数法分析其运动学和速度雅可比矩阵,基于集中质量原理建立其牛顿-欧拉动力学模型,进而通过末端位置反馈搭建连续型机器人的闭环控制系统.面对多障碍的复杂环境,通过构造障碍势函数评估机器人与障碍物之间的距离变化,在机器人轨迹控制中,合理地选择运动学求逆运算时的雅可比矩阵零空间变量,控制机器人在机械臂本体改变构型躲避障碍物的同时末端保持轨迹跟踪.分别对机器人进行末端轨迹跟踪与避障控制的仿真和实验验证,观察机器人的末端轨迹误差与构型变化,以评估机器人模型、控制闭环与避障算法的正确性.仿真和实验结果均表明机器人具有良好的运动控制和避障能力.该研究工作为连续型机器人在复杂实际应用环境中的构型控制和安全操作提供了思路与方法支持.

基于粒子群优化方法的同心管连续型机器人运动学算法

针对一种应用于微创手术的同心管连续型机器人运动学算法展开研究,通过几种不同运动学算法比较,在兼顾精度以及计算复杂程度的前提下,选用最小能量法建立其运动学数学模型,并选择利用粒子群优化算法强大的寻优能力对相关能量函数寻求最优解。建立了从驱动空间参数到关节空间所有参数的映射关系,通过坐标变换和参数拟合,得到同心管连续型机器人从基点到末端点空间姿态的表达式。通过运动学算例和三维模型的运动学仿真获得的运动轨迹进行对比验证,说明了算法模型的可行性和准确性。

连续型结肠镜机器人多电机控制系统设计

连续型结肠镜机器人在结构上分为5节,每节各具有2个自由度,分别由2个直流伺服电机实现。在分析了连续型结肠镜机器人机械结构的基础上,设计了采用两级分布式结构的控制系统,其上层结构为PC机,采用由VC++6.0与OPGL联合开发的基于Windows平台的软件系统;下层结构由基于DSP芯片的电机运动控制器和以LMD18200为核心的电机驱动器组成;上、下层结构之间通过CAN总线进行通讯。最后进行了原理样机弯曲实验,以验证了控制系统的可行性。

柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析

基于气动人工肌肉和缆绳组合驱动,提出了一种三自由柔性气动连续体机器人关节,该关节具有结构紧凑、柔顺性高、控制简单等特点。通过分析该机器人关节结构特性,采用修正的D-H法,建立了其正反解运动学模型,求解了其位置运动学解和速度运动学解,通过仿真验证了关节结构的合理性和运动学方程的正确性。

仿生连续体机器人的研究现状和展望

仿生连续体机器人是一种基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,近年来正逐步成为一个新的研究热点。文中讨论了连续体机器人的运动机理和应用领域,从仿生设计、运动学、动力学与控制等方面详细介绍了其研究现状,指出了目前连续体机器人研究中存在的问题及有待深入研究的方向。