基于合成数据集的多目标识别与6-DoF位姿估计

多目标识别及六自由度(6-DoF)位姿估计是实现物料无序堆放状态下机器人自动分拣的关键。近年来,基于深度神经网络的方法在目标识别及位姿估计领域受到广泛关注,但此类方法依赖大量训练样本,而样本的采集及标注费时费力,限制了其实用性。其次,当成像条件差、目标相互遮挡时,现有位姿估计方法无法保证结果的可靠性,进而导致抓取失败。为此,文中提出了一种基于合成数据样本的目标识别、分割及位姿估计方法。首先,以目标对象的3维(3D)几何模型为基础,利用3D图形编程工具生成虚拟场景的多视角RGB-D合成图像,并对生成的RGB图像及深度图像分别进行风格迁移和噪声增强,从而提高合成数据的真实感,以适应真实场景的检测需要;接着,利用合成数据集训练YOLOv7-mask实例分割模型,运用真实数据进行测试,结果验证了该方法的有效性;然后,以分割结果为基础,基于ES6D目标位姿估计模型,提出了一种在线姿态评估方法,以自动滤除严重失真的估计结果;最后,采用基于主动视觉的位姿估计校正策略,引导机械臂运动到新的视角重新检测,以解决因遮挡而导致位姿估计偏差的问题。在自行搭建的6自由度工业机器人视觉分拣系统上进行了实验,结果表明,文中提出的方法能较好地适应复杂环境下工件的识别与6-DoF姿态估计要求。

基于MATLAB和RobotStudio的6-DOF机器人运动学分析与仿真

针对船体密封舱、箱柜等狭窄空间普遍存在的机器人难以工作问题,提出了一种新型6-DOF(degrees of freedom)机器人。首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H坐标理论建立了机器人D-H坐标表格以及机器人正、逆运动学方程,其次应用MATLAB对机器人的运动学进行了仿真,结果表明所得的机器人正、逆运动学方程完全正确;最后设计了虚拟样机,利用RobotStudio仿真分析了机器人箱体焊接的优点;为进一步验证设计的机器人运动性能,与通用6-DOF机器人做了对比分析。研究结果表明新型机器人运动的可行性,为设计适应箱柜等狭窄空间的工业机器人提供了理论依据。

AX-MV6坡口切割机器人工作站系统的应用

根据空间热切割特点及用户工艺要求,设计了基于OTC AX-MV6机器人坡口切割工作站控制系统。介绍了系统硬件构成及工作原理,气路控制系统,机器人和控制器功能和空间热切割控制编程方法。该系统完全在机器人的控制下,完成对钢板的各种二维(如平面)和三维(如坡口)切割作业,用于金属板材任意图形切割及坡口切割。经生产验证该系统性能稳定,工件切割质量好,生产效率高。

AX-MV6机器人坡口切割工作站系统的应用

根据空间热切割特点及用户对加工产品工艺要求，设计了基于OTCAX—MV6机器人坡口切割工作站控制系统。介绍了系统硬件构成及工作原理、气路控制系统、机器人和控制器功能以及空间热切割控制编程方法。该系统完全可在机器人的控制下，完成对钢板的各种二维（如平面）和三维（如坡口）切割作业，用于金属板材任意图形切割及坡口切割。最大有效切割范围：4000mm×2000mm，切割厚度：6～150mm，内外坡口角度：≤45°；切割速度：≤1m／min。经生产验证该系统性能稳定，工件切割质量好，生产效率高，工作时间可连续24h。

6轴工业机器人工作空间快速求解

由于机器人设计过程中需要反复计算机器人工作空间,提升工作空间的计算效率与精度具有重要意义。本文针对传统方法求解工作空间精度不高、速度慢的问题,提出了改进方法。用传统方法生成种子空间并离散为多个子空间,利用正态分布拓展工作空间点数量不足的子空间,并根据拓展后工作空间点的位置调整正态分布参数,得到可达工作空间。进一步,利用可操作度值评估机器人的灵活性,从可达工作空间筛选出灵活种子空间,利用可调参数的正态分布拓展灵活种子空间边界,得到灵活工作空间。以6轴机器人为对象,对本文方法进行仿真分析。结果表明,本文方法在保证求解精度的前提下可极大的提升求解效率,为后续的机器人优化设计提供了便利。

Research of 6-DOF Serial-Parallel Mechanism Platform for Stability Training of Legged-Walking Robot

The concept of legged-robot stability training with a training platform is proposed and a serial-parallel mechanism platform with 6 degrees of freedom is designed for this target. The designed platform is composed of 4-DOF parallel mechanism with spherical joints and prismatic pairs,and 2-DOF serial mechanism with prismatic pairs. With this design,the platform has advantages of low platform countertop,big workspace,high carrying capacity and high stiffness. On the basis of DOF analysis and computation of space mechanism,weight supporting auxiliary mechanism and raceways-balls supporting mechanism are designed,so as to improve the stiffness of designed large platform and payload capacity of servo motors. And then the whole structure design work of the platform is done. Meanwhile,this paper derives the analytical solutions of forward kinematics, inverse kinematics and inverse dynamics. The error analysis model of position and orientation is established. And then the simulation is done in ADAMS to ensure the correctness and feasibility of this design.

基于网格搜索算法的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划

针对6-RUS并联喷涂机器人再现轨迹不平滑、轨迹规划效率低等问题,提出了基于优化贝塞尔曲线节点位置的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划方法。首先,将预处理的轨迹离散化为网格点,更新节点参数并优化贝塞尔曲线弧长,进一步拟合小线段路径获取最优几何路径;然后,计算不同粗网格点对应的最佳速度以及求解时间,选择合适的粗网格点,进一步以较小步长密化网格点间路径,迭代求解正反向最大速度,搜索路径的最佳速度曲线,获取6-RUS并联机器人的最佳运行时间。最后,在自研的6-RUS并联机器人平台上进行实验。结果表明,在相同示教轨迹条件下,基于所提的改进贝塞尔曲线算法得到的路径长为8.12 m,优于传统贝塞尔曲线算法以及G2CBS算法的结果;同时将改进的时间最优轨迹规划算法(TOPP)用于优化后的示教路径,所提算法的最优速度曲线的求解时间为416.4 ms,与TOPP-RA算法的最优速度曲线的求解时间相比缩短了244.7 ms,而且该算法下最优轨迹规划时间也优于TOPP-RA算法,该方法提高了最佳速度的求解速率,缩短了6-RUS并联机器人轨迹再现时间,提高了工作效率。

Realization of orientation interpolation of 6-axis articulated robot using quaternion

In general,the orientation interpolation of industrial robots has been done based on Euler angle system which can result in singular point(so-called Gimbal Lock).However,quaternion interpolation has the advantage of natural(specifically smooth)orientation interpolation without Gimbal Lock.This work presents the application of quaternion interpolation,specifically Spherical Linear IntERPolation(SLERP),to the orientation control of the 6-axis articulated robot(RS2)using LabVIEW and RecurDyn.For the comparison of SLERP with linear Euler interpolation in the view of smooth movement(profile)of joint angles(torques),the two methods are dynamically simulated on RS2 by using both LabVIEW and RecurDyn.Finally,our original work,specifically the implementation of SLERP and linear Euler interpolation on the actual robot,i.e.RS2,is done using LabVIEW motion control tool kit.The SLERP orientation control is shown to be effective in terms of smooth joint motion and torque when compared to a conventional(linear)Euler interpolation.

6-UPS并联机器人动力学参数辨识

为了获得精确的并联机器人动力学模型,以6-UPS并联机器人为研究对象进行了参数辨识。通过牛顿-欧拉法结合并联机构的对称性和各关节的重复性,简化了6-UPS并联机器人的动力学模型,并转换成了关于基参数集的线性形式。为了提高辨识精度,提出将机器人的惯性参数和摩擦参数分步辨识的策略并对比了不同摩擦模型的辨识效果。通过运行不同轨迹的辨识实验对比驱动力与预测力的误差大小来验证辨识效果,结果表明,惯性参数和摩擦参数分步辨识能提高辨识精度,Daemi-Heimann模型相比于库仑-黏滞摩擦模型的辨识结果精度更高。

6R Robot Inverse Solution Algorithm Based on Quaternion Matrix and Groebner Base

This article proposes a new algorithm of quaternion and dual quaternion in matrix form. It applies quaternion in special cases of rotated plane, transforming the sine and cosine of the rotation angle into matrix form, then exporting flat quaternions base in two matrix form. It establishes serial 6R manipulator kinematic equations in the form of quaternion matrix. Then five variables are eliminated through linear elimination and application of lexicographic Groebner base. Thus, upper bound of the degree of the equation is determined, which is 16. In this way, a 16-degree equation with single variable is obtained without any extraneous root. This is the first time that quaternion matrix modeling has been used in 6R robot inverse kinematics analysis.

Micro-Scale Motion Precision Simulation Method for a New-Type 6-DOF Micro-Manipulation Robot

A new 6-DOF micro-manipulation robot based on 3-PPTTRS parallel mechanisms in combination with flexure hinges is proposed. The design principle of the mechanism is introduced, and the kinematics analysis method based on differentiation is used to get the (inverse) kinematics equations. Then a micro-scale motion precision simulation method is proposed according to finite element analysis (FEA), and the prediction of robot’s motion precision in design phase is realized. The simulation result indicates that the 6-DOF micro-manipulation robot can meet the design specification.

Trajectory tracking control based on linear active disturbance rejection controller for 6-DOF robot manipulator

The trajectory tracking control for a 6-DOF robot manipulator with multiple inputs and outputs,non-linearity and strong coupling is studied.Firstly,a dynamical model for the 6-DOF robot manipulator is designed.From the view point of practical engineering,considering the model uncertainties and external disturbances,the robot manipulator is divided into 6 independent joint subsystems,and a linear active disturbance rejection controller(LADRC)is developed to track trajectory for each subsystem respectively.LADRC has few parameters that are easy to be adjusted in engineering.Linear expansion state observer(LESO)as the uncertainty observer is able to estimate the general uncertainties effectively.Eventually,the validity and robustness of the proposed method adopted in 6-DOF robot manipulator are demonstrated via numerical simulations and 6-DOF robot manipulator experiments,which is of practical value in engineering application.

The Research about Prescribed Workspace for Optimal Design of 6R Robot

Based on the D-H notation, kinematics model and inverse kinematics model of 6R industrial robots are established. Using graphical method, the boundary curve equations of the 6R industrial robot workspace are obtained. Based on the prescribed workspace, the D-H parameter optimization method of 6R industrial robots is proposed. Using the genetic algorithm to determine the structural dimensions of a 6R robot, we make sure that its workspace can exactly contain the prescribed workspace. This method can be used to reduce the overall size of the robot, save materials and reduce the power consumption of the robot during its work time.

基于BP神经网络-牛顿迭代法的6-DOF并联机器人正解

由于6自由度并联机器人基座与末端执行器之间存在多条运动链,使其运动学正解难度较大,并且存在多解。针对并联机器人的运动学高效求解,提出一种基于神经网络和牛顿迭代法混合算法,利用神经网络模型的非线性映射能力,将输入杆长映射到上平台位姿,但映射出来的位姿精度较低,再利用迭代法求解,最后在Matlab中建立物理模型进行运算仿真。仿真结果表明:神经网络-牛顿混合求解能提高运算效率,并且有效降低误差,具有广泛的应用价值。

基于6-UPS并联机器人的副面调整机构设计

针对奇台110 m口径全可动射电望远镜(QiTai radio Telescope,QTT)天线副面调整机构的技术指标,文中提出了一种基于6-UPS并联机器人的副面调整机构。分别利用多刚体动力学分析和控制仿真软件对副面调整机构进行了虚拟样机建模和动力学仿真,得出副面调整机构运动关节在天线指天和仰平两种工况下从零位运动至指定位姿所需要的最大驱动力。进一步建立了大射电望远镜副面调整机构的有限元模型,对其零位时的结构进行了模态分析,得到了前6阶固有频率,为工程设计提供了理论参考。

数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性研究

六自由度并联机器人采用数字液压缸驱动相比于采用电液伺服缸驱动,具有成本低、可靠性高、抗污能力强和结构简单等优点,为研究数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性,首先建立数字液压缸的数学模型并推导出闭环刚度,然后基于全微分法建立六自由度并联机器人的误差传递模型,并结合数字液压缸的闭环刚度,推导出数字液压缸驱动的六自由度并联机器人的刚度矩阵,并分析了刚度矩阵的影响因素,建立AMESim仿真模型并进行仿真研究,揭示出并联机器人各自由度的刚度与正开口量、滚珠丝杠导程等系统固有参数以及与并联机器人位姿之间的关系,研究结果还表明,当并联机器人沿除升沉方向以外的其他方向运动时,升沉自由度和其他自由度之间存在耦合,且耦合刚度会随并联机器人位姿的变化而变化。该研究对数字液压缸驱动的六自由度并联机器人研制及应用有一定的理论价值和实际意义。

基于负压式苹果采摘机器人末端设计及仿真

为提高苹果采摘效率,实现无损化、高效化采摘。设计出一种基于负压式末端执行器的六自由度采摘机器人,并对基于负压式设计的末端结构进行验证。后基于SD-H参数法对机器人进行正逆运动学求解,运用ADAMS仿真软件对采摘机械臂进行运动学和动力学仿真分析。对末端吸口中心点和各关节点进行监控获取末端吸口位移、速度、加速度与各关节力矩曲线。分析曲线表明:机械臂运动过程平稳无突变,采摘苹果产生冲击力对机械臂各关节影响较小,机械结构设计合理,可满足采摘工作需求,并对后续路径规划提供基础依据。

基于含避障角人工势场法的机器人路径规划

针对基于距离的人工势场法(Artificial potential field, APF)存在的局部极小值问题,提出了一种含避障角的人工势场法的避障路径规划方法。在平面环境中,采用斜率判定路径规划过程中的位置关系,通过机器人当前点到障碍物的距离与障碍物的影响半径二者之差得出人工势场法中的排斥力,并对排斥力的偏转角进行调整;另外,在空间环境中利用圆弧插补理论将机器人平面避障问题转换为空间避障问题;基于机器人构型配置对改进人工势场法进一步完善以满足实际避障要求。仿真和实验研究结果表明,含避障角的人工势场法,在单个或多个障碍物环境中进行避障路径规划时解决了局部极小值的问题,同时实现了6自由度机器人末端在避障时的轨迹曲线平滑无振荡,验证了所提出避障路径规划方法的可行性。

基于牛顿—拉夫逊迭代法的6自由度机器人逆解算法

为解决一般6自由度旋转关节机器人逆运动学问题,提出了一种用牛顿—拉夫逊迭代法逐次逼近目标位姿的逆解算法。根据正运动学方程建立雅克比矩阵,采用基于豪斯霍尔德的SVD分解求其伪逆来避免雅克比矩阵的奇异性问题,通过建立迭代规则并逐次迭代找到最优的逆运动学单解,实际应用时无需再建立多解取优策略。本算法具有较好的局部快速收敛性,能够达到较好的精度和速度,并在基于ARM9的嵌入式系统上实现了此算法。相应的测试表明:算法实时性能够满足系统要求,可应用于机器人实时控制系统。

基于给定工作空间的6R型机器人D-H参数优化设计

运用解析法分析并确定了影响6R型机器人工作空间的相关关节,进而运用图解法获得了6R型机器人工作空间边界曲线,并建立了6R型机器人工作空间的三维仿真模型。为了得到紧凑的结构,在给定工作空间的情况下,利用遗传算法对6R型机器人的D-H参数进行优化设计,得到了满足约束条件且使机器人连杆长度最小的最优解,并通过6R型机器人三维模型工作空间验证了优化结果的合理性。