7自由度类肌腱驱动仿生机械臂的设计研究

在科技不断发展的过程中,服务型机器人成为当下一大研究热点,针对老年群体及康复人群的多功能辅助机械臂呈现出广阔的发展眼前,备受社会关注。基于人体解剖学关节特点及7自由度手臂原理,应用被动运动的绳索张紧机构法,对类肌腱驱动机构进行开发设计,构建出仿人体上肢的机械臂张力放大机构,利用串并联混合腕部机构来模仿人体手腕,完成了肩关节模块化设计,打造出一种拥有恒定驱动力且末端精准灵活的类肌腱驱动仿生机械臂,实现仿生机械臂人际交互的安全及柔顺性,以期提高仿生机械臂肘关节的柔性张力,做到灵巧运用腕关节,弥补了传统绳索驱动机构下机械臂运动张力不足的弊端。

7自由度仿人机械臂工作空间求解的降密蒙特卡洛法

针对蒙特卡洛法和改进蒙特卡洛法在求解机械臂工作空间时存在精度不够准确和加密点云浪费的问题,提出一种降密蒙特卡洛法.首先,基于蒙特卡洛法中随机点分布不均的特性,对机械臂初始工作空间进行均匀加密,使空间的内部与边界区域分明;然后,采用扩展关节角度和循环加密随机点的方式,只对边界区域进行加密,达到降低工作空间随机点云密度的目的;同时,还研究了该方法中初始点云数量、各轴向分割体素数量、精度阈值、扩展关节角度和循环次数等参数对工作空间精度的影响;最后,通过仿真分析对降密蒙特卡洛法的有效性进行验证.结果表明:相比于蒙特卡洛法,降密蒙特卡洛法在工作空间平均误差率为0.022 42%时,总随机点云数量降幅为93.89%;相比于改进蒙特卡洛法,在循环次数为2次和4次时,降密蒙特卡洛法工作空间的平均误差率分别降低0.138 53%和0.113 29%,总随机点云数量降幅分别为44.83%和64.52%.

7自由度串联机器人运动学分析

以北京某大学自行研制的7自由度串联机器人为研究对象,对其运动学正解和逆解进行分析和研究。应用旋量方法推导出该机器人的运动学正解求解方程。在运动学正解求解方程基础上,采用位姿分离方法,将7自由度串联机器人的运动学逆解问题分解为位置逆解和姿态逆解两部分,并结合几何法和最短行程原则优化计算位置逆解和姿态逆解,继而完成了该机器人的运动学逆解求解。仿真结果验证了该7自由度串联机器人运动学逆解求解方法的正确性,且证明了该方法具有运算量小和精度高等特点。

基于改进PYR型全方位关节的7自由度仿人手臂设计

在总结7自由度仿人手臂机器人设计与研制经验的基础上,针对PYR关节刚度对机器人精度影响,以及关节结构优化设计问题,提出用实现关节力封闭的刚度保证器提高关节刚度,通过改进齿轮结构实现进一步小型化。从而实现PYR型全方位关节高刚度、小型化设计。

7自由度机械臂的运动学逆解与优化

采用位姿分离的方法求出了7自由度冗余机械臂运动学逆解的解析解,并以减少最大关节位移为优化目标提出了冗余角的确定方法,即"冗余角差分"算法。首先选取合适的关节作为冗余关节,通过给定冗余角的微小增量,求出其他关节角增量随冗余关节角增量变化的近似线性关系;然后采用线性规划的方法求取最优的冗余角增量,以减小机械臂插补时的最大关节位移,从而减少插补时间和动作幅度,提高机械臂的作业效率。

7自由度虚拟轴串并联机床概念设计

在基于6杆虚拟轴运动原理的复杂刀具曲面成型技术研究的基础上,将3杆并联机构进行扩展,获得了5自由度主轴头,进而构思了基于虚拟轴运动原理的7自由度串并联专用机床结构,并分析了该机构动平台的运动位姿及连杆的运动误差.该结构适当增加了绕机构中心的自由回转,所以极大地扩大了主轴工作空间,弥补了并联机构工作空间小的不足,提高了主轴头的灵活性.

仿人7自由度机械臂位置层面轨迹规划研究

仿人7自由度机械臂作为一种特殊结构的冗余自由度机器人,具有更好的运动学性能。为了简化仿人机械臂轨迹规划的计算量,从仿人机械臂的逆运动算法入手,讨论了位置层面的仿人机械臂逆运动计算方法,并在轨迹规划中采用定时插补和定距插补的方法,通过位置层面逆解中加入机器人运动的速度和加速度等信息,实现了在位置层面上对仿人7自由度机器人关节空间的全方位运动规划。

基于关节模块自由组装式7自由度工业机器人

随着工业发展的进行,在国民生产劳动密集性行业中,劳动量与劳动价值比例需要进行改革。工业机器人的出现加快了机械工业进入自动化,省人化,高效化的领域,灵活的7自由度机器人、逼真的人形机器人为居民生活提供帮助。小型化的医用机器人也正不断的被研发出来进入医院,协助进行各种不同的医疗救助。本设计是在6自由度工业机器人机械手臂基础上,为其更深一步的开发与创新应用而进行的作业,涉及机械结构、电路控制、编程等内容。

具有7自由度和双球型髋关节的仿人机器人下肢运动分析与规划

提出了具有7自由度和双球型髋关节的仿人机器人下肢机构.它和传统的6自由度双足步行机构相比,具有下述两大优点.首先双球型髋关节使机器人在不增加腰部关节的情况下实现腰部的基本运动功能,使机器人能够直立行走;其次在给定腰和足部位置时,它也能和人类一样实现转动双腿的动作.本文还对该复杂机构进行了运动特性分析、运动学求解、运动规划和实验验证.

一种基于D-H参数的7自由度机械臂机构精度综合方法研究

提出了一种基于最佳精度模型的机械臂机构精度综合的方法,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配,为机械臂的精度设计提供理论依据。以一种基于双电机伺服驱动关节的7自由度协作机械臂为研究对象,机械臂的几何定位精度的设计目标为1.4 mm,建立该型机械臂末端执行器的几何定位误差模型;对参数误差进行敏感性分析,找出对机械臂末端执行器几何定位误差影响相对较大的参数误差;根据最佳精度数学模型,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配;经过对误差仿真计算分析,机械臂的最大几何定位误差为1.226 7 mm,均值为0.485 9 mm,方差为0.216 5 mm,满足设计要求。为该机械臂的制造装配提供了理论参考依据。与基于最小成本模型的精度综合法相比,提出的精度综合方法不需要统计加工制造成本信息,能够确保机械臂的设计精度满足设计要求,可用于单个或者小批量生产制造机械臂的精度设计。

改进CMA-ES算法及其在7自由度仿人臂逆运动学求解中的应用

提出一种改进的CMA-ES算法:将原算法随机生成初始均值点,改为由佳点集中优秀个体加权求和得到;增加越界敏感因子和步长缩放系数,用于新个体存在越界行为时,修正步长更新。以7自由度仿人臂为例,用改进的CMA-ES算法求逆运动学解,结果表明改进的CMA-ES算法可实时、高精度地求解:在点对点运动中,改进的算法单次求解时间约为9.7 ms,适应度函数稳定在10^-8级别;在工作空间的连续轨迹中,位置跟踪误差稳定在10^-5 mm级别,单次平均求解时间约为14.1 ms。

7自由度自动铺放机器人的操作性能评价与优化

为了衡量7自由度自动铺放机器人在纤维丝束铺放过程中的性能,提出了其操作性能指标,该指标能够同时包含条件数和可操作度。采用Ada Boost算法对所提出的性能指标进行优化,求出最优加权系数,确定性能指标函数。把所确定的性能指标函数在7自由度自动铺放机器人的操作性能上进行仿真应用,结果表明,所提出的操作性能评价指标能满足机器人的灵活性和运动能力的要求。

一种7自由度机械假肢运动学研究

介绍了7自由度假肢结构,并针对传统的将7自由度手臂退化为6自由度手臂的逆运动学求解方式进行改进,提出了利用摇摆角(swivel angle)的优化方式,使手臂在抓取时更加拟人自然。

一种用于无损检测的7自由度机构分析

在无损检测技术中,机械检测装置的结构设计是一道非常重要的工序。在扫描的过程中,需要控制系统控制检测装置各轴之间进行平移、旋转和升降运动,使得被检测物体的各个方向、各个面都可以被检测到,机械检测装置的设计对检测机械手末端执行器的运动平稳性及操作的精度具有至关重要的作用,机械检测装置结构设计的准确性与正确性决定无损检测技术的操作安全。7自由度机械检测结构实现对检测圆筒全面的检测,通过运动学分析及ADAMS仿真分析验证了运动学模型的正确性和操作的安全性。

基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法

基于共形几何代数(Conformal geometric algebra,CGA),提出了一种求解SRS(S:球副,R:转动副)7自由度机械臂逆运动分析的臂型角参数化法。首先,根据臂型角参数化,在共形几何代数框架下,使用点、线、面、球和点对等基本几何体的相交、分离和对偶等运算,得到机械臂5个关节点的位置;接着,通过构造过关节点的直线与平面,使用构造的直线间或构造的平面间的内积,得出机械臂7个关节转角的余弦表达,从而获得了机械臂逆运动学分析的所有16组解析解;最后,以Kinova Jaco27自由度机械臂为数值实例求解,并通过SolidWorks仿真验证了所提方法的正确性。结果表明提出的方法具有几何直观性强和计算简明的特点,为其他7自由度机械臂的逆运动学求解提供了一种新思路。

灵活手臂——天宫空间站7自由度空间机械臂

中国空间站的“手臂”——机械臂看起来就是两段“棍子”,但它不仅能辅助航天员出舱活动,在空间站的太空生活工作中也发挥着重要作用。它是一种非常精密和先进的空间机器人,集机械、电子、热控以及视觉和动力等多个领域于一身。空间站机械臂既要拖动大质量的载荷,又要保证高控制精度,还要具备视觉识别能力甚至自主分析能力。空间站的“师父们”以前从没有研制过这种类型的航天器产品,因此难度特别大,空间站身上机械臂的新技术比例超过80%,好在空间站的“师父们”迎难而上,最终研制出我们自己的大型高性能机械臂。

基于肘部自运动的主从异构7自由度机械臂运动映射及其几何逆解

为了在异构遥操作系统中将主臂运动信息完整的映射到从臂,以人臂运动特性为依据,针对7自由度机器人提出了一种新的主从运动学映射方法。该方法以机器人末端位姿和自转角为基础,建立主从映射矩阵。提出关节融合策略,对因有偏置而无法汇交成肩肘腕点的机器人进行关节融合,从而形成等效肩肘腕点,并以此确定映射矩阵参数。建立参考坐标系,对遥操作过程中产生的基系漂移误差进行修正。针对肘或腕不汇交的7自由度机器人,提出了一种新的逆运动学求解方法。该方法利用几何关系求解等效肩肘腕点的位置,并依据各等效点与各关节点之间的关系求解各关节角。仿真和试验结果证明了所提出的映射方法能够使从臂按照主臂所提供的信息在等比例模型中完成运动,并且在运动过程中从臂自转角与主臂相同,完成避障任务。

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。

针对关节限位优化的7自由度机械臂逆运动学解法

为解决机械臂运行过程中避让关节限位的问题,该文以S-R-S构型的7自由度机械臂为对象,提出了一种机械臂逆运动学优化算法。首先,引入臂角变量,推导得到含臂角变量的逆运动学封闭解,并在此基础上,将关节限位和臂角可行范围进行映射;其次,定义一种包含权重函数的避限位优化目标函数,其中权重函数取值与关节实际位置有关;最后,通过线性展开方法简化臂角与关节位置的关系式,从而将原有复杂形式的优化目标函数简化为二次函数,结合求得的臂角可行范围完成优化求解,实现关节避限位。计算结果表明:该算法可以有效避让关节限位,且直观、简单、运算效率较高,可以进行实时运算。

七自由度机械臂结构设计与工作空间分析

设计了一种手术机械臂,其主要特点是具有7个自由度,结构紧凑,具有很好的灵活性。详细介绍了其机械结构的设计,并基于蒙特卡洛法对其进行了工作空间分析,在Matlab中绘制出了工作空间云图。