Fault tolerant motion planning based on joint torque limit for redundant manipulators

First, two fault tolerant planning algorithms with avoidance of joint static torque limit or joint dynamic torque limit are proposed respectively. The former is suitable for the low-speed manipulators, and the latter is suitable for the high-speed manipulators. These algorithms not only can insure manipulation tasks to lie within the fault tolerant workspace but also can avoid joint torque limit, and hence can insure a redundant manipulator to be. fault tolerant in both kinematical sense and dynamic sense. Then, the simulation examples for a planar 3R manipulator demonstrate the validity of these algorithms.

A Decentralized Autonomous Control on Highly Redundant Robot Manipulators

The control method of highly redundant robot manipulators is introduced. A decentralized autonomous control scheme is used to guide the movement of robot manipulators so that the work done by manipulators is minimized. The method of computing pseudoinverse which needs too many complicated calculation can be avoided. Then the calculation and control of robots are simplified. At the same time system robustness/fault tolerance is achieved.

基于条件数约束的方向可操作度

现有灵活性指标——方向可操作度在规划过程中往往会出现条件数较大的情况,不利于控制。针对这一问题,提出基于条件数约束的方向可操作度这一新指标,分析该指标的偏导随条件数增大的变化情况。当条件数较小时,指标主要受方向可操作度的影响;条件数不断增大时,方向可操作度对指标的影响逐渐削弱,条件数对指标的影响不断增大。通过优化侧重点的改变,该指标能使优化结果的条件数小于任务要求的最大条件数的同时最大限度地保留方向可操作度。平面3R、BUAA-RR机器人的数值仿真和平面3R机器人的试验研究证明新指标的优越性。此外,将该指标应用于冗余度机器人的容错操作这一特殊领域,它可以使机器人在运动中任何时刻重构的新机械臂在任务方向上具有较高的操作能力,并且能够保证条件数较小,避免奇异情况的发生。

冗余度机器人多关节故障的运动学容错性及其优化

首先基于对冗余度机器人故障构形的操作灵巧性分析,推导出机器人各阶子构形可操作度之间的关系。其次,分析了多关节故障构形下的相对操作灵巧性,并进一步由子构形的可操作度及对应的相对可操作度出发,提出了适用于多关节故障的运动学容错性优化目标。这种算法具有计算量小、可在线实时运算并保证关节速度连续的特点,所提优化目标适用于一个或多个关节故障。算例显示了算法的有效性。

两机械臂协调操作的容错运动规划

针对两机械臂协调操作中发生关节坏死这类故障时的容错运动规划问题进行研究。首先,建立了两机械臂协调操作的运动学方程,给出了容错空间的计算步骤。然后,构造了反映机械臂末端运动与容错空间相对位置关系的中心度指标,并基于这一指标提出了机械臂协调操作的容错运动规划算法。利用该算法可以确定被持物体的最优初始位置,从而同时实现故障时刻和故障后的容错操作。最后,利用两面积3R机械臂的仿真实例证明了其有效性。

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.

冗余度机械臂协调容错操作中的关节速度突变

针对两协调机械臂在发生锁定关节故障的容错操作中关节速度突变问题进行了研究。首先将原机械臂关节速度与退化机械臂关节速度之差定义为容错操作中的关节速度突变;然后基于这一指标提出了相应的容错运动规划算法;最后给出了两个平面3R机械臂进行容错操作的仿真实例。研究结果表明,该算法可以有效地避免在容错协调操作中两机械臂出现的关节速度突变,提高容错操作的运动平稳性,从而改善机械臂容错操作的运动学和动力学性能。

故障容错机械臂运动学可靠性设计

从机械臂运动学的角度,定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂、特定任务故障容错机械臂,论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性、故障容错机械臂应该具备的自由度数、以及针对不同的任务要求来设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立与机械臂参数向理想值接近程度相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂、通用一阶故障容错空间位置机械臂、以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂。建立起完整的故障容错机械臂设计方法,对航天机器人的研究具有一定价值。

过驱动并联机器人驱动力矩的特解构造法

以一种平面三自由度过驱动并联机构为研究对象,分析其运动学方程,并采用虚功原理和等效力方法推导了该机构的动力学模型.讨论过驱动机构的容错性,给出了故障前后驱动关节力矩突变的定义.分析过驱动机构逆动力学方程解的不确定性,从提高机构的可靠性以及容错性角度出发,提出一种新的过驱动机构驱动力矩分配思路,以驱动器集可靠度作为系数乘子,采用故障后力矩分配的确定解构造过驱动机构输入力矩的不确定解.将这种方法与传统的力矩分配方法所得到的各关节力矩突变之和进行比较,数据计算结果表明该方法具有更好的容错性能.

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.

基于止血机制的冗余并联机器人精准容错控制

冗余并联机器人具有冗余容错能力,能在局部故障的情况下继续工作.而设备的机械间隙无法完全避免,并且较难建立精准的机械间隙模型,因此基于运动学冗余的常规容错方法较难实现精准容错控制.基于生理止血调控机制,考虑冗余并联机器人控制特性和机械间隙因素,提出一种新颖的精准容错控制器.与止血机制类似,该控制器不但能够进行子通道误差优化,而且能进行全局故障辨识和容错补偿.利用2-DOF冗余并联机器人进行了真实实验.结果表明,提出的精准容错控制器的控制精度和容错能力均比传统控制器有较大提高.

冗余机械臂运动学优化设计

该文主要从机械臂运动学的角度,定义了故障容错机械臂,巧妙地论证了冗余故障容错机械臂应该具备的自由度数,以及针对不同的任务要求,设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立机械臂参数与理想值相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂,通用一阶故障容错空间位置机械臂,以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂。建立起完整的故障容错机械臂的设计方法。

一种7R冗余机械臂的容错空间优化

以一种双偏置7R冗余机械臂为研究对象,探讨其单关节容错空间的优化问题.针对容错空间体积的变化规律,考虑容错空间与工作空间的关系,引入转换比的概念,通过选取合适的关节锁定角范围对机械臂的容错空间进行了优化.研究结果表明,在两种不同的锁定角范围取值方式下,随着锁定角的增大,转换比均呈现先上升后下降的规律.同时,最高转换比对应的锁定角亦得到确定.

冗余度机械臂容错操作中关节速度突变

为了减小关节速度突变,改善机械臂容错操作的运动平稳性并提高其操作精度,根据关节速度突变这一指标,提出了使速度突变极小化的容错运动规划算法,并利用PowerCube 4R空间机械臂和Optotrak三维动态测量系统建立了一个实验平台,实测出了容错操作中由关节速度突变引起的机械臂末端的运动误差。研究结果表明,在对机械臂进行锁定关节的容错操作时存在关节速度突变,这种突变严重影响了机械臂末端的运动精度,利用该算法可以有效地减小关节速度突变。

具有容错性能的冗余度机器人轨迹规划

首先,提出综合关节可操作度这一种新的容错性能指标,利用该指标可以有目的地调配各关节间容错能力,从而使冗余度机器人实现自觉性的容错操作。然后,针对BUAA-RR 7R空间机器人进行了数值仿真和实验研究。

新型液压升船机的设计和研究

为了改善内陆河流船舶通行坝区的能力和效率,对国内外的垂直升船机进行了研究,分析了垂直升船机的现有技术,提出了全新的液压升船机的设计方法,采用液压机械手原理,有效地突破了液压油缸有限行程无法完成大高度升降、长距离运行的技术难题;采用液压调速控制,改善了系统低速性能,实现了大范围内无级调速;采用动态驱动解析冗余容错技术,实现了局部故障下的自恢复功能,提高了设备运行的安全性;运用液压同步性能的优势,消除了电气拖动多吊点易偏载的缺陷.

冗余度机器人自由摆动故障的运动学容错

对于工作在恶劣环境下的机器人 ,容错是一个重要的设计准则。本文针对冗余度机器人发生自由摆动故障 ,提出了以机器人末端误差为评定标准 ,构造了机器人运动学综合性能指标 ,通过使该综合性能指标最小 ,实现机器人的容错。计算和仿真的结果表明 ,按该性能指标进行优化 ,可使关节实现容错 ,并且关节速度平稳、可操作度较高 。

冗余度机械臂位移级的容错轨迹规划

对冗余度机械臂的容错问题进行了研究 ,提出一种位移级上的容错轨迹规划算法 ,并将其与梯度投影法进行了仿真分析与比较。研究结果表明 。

空间4R冗余度机械臂容错空间分析

针对空间4R冗余度机械臂活动关节工作空间进行了定量研究,并且对其容错空间做了进一步探讨。首先推导出空间4R冗余度机械臂不同关节锁定时工作空间的解析表达式,并且根据表达式对工作空间进行了三维造型;然后,进一步分析了机械臂的D-H参数对工作空间的影响;最后,给出3 sigm a型机械臂容错空间的计算方法及三维造型,分析了其容错空间的影响因素。研究结果表明:当机械臂结构参数一定时,一个活动关节(关节2)在一定范围内锁定,工作空间不变,并且此锁定范围与结构参数一一对应;机械臂的臂长之和一定时,各机械臂长度越接近,机械臂的工作空间越大;机械臂关节2偏置的存在使机械臂工作空间不会出现薄壳,另一活动活动关节(关节3)的偏置的存在也可以增大工作空间;关节工作空间增大,容错空间也会相应增大。

基于容错指标的空间单冗余机械臂结构综合

为了增大机器人锁定故障关节后的容错空间,提高机械臂的容错性能,运用容错因子作为容错性能指标对机械臂进行了结构综合.基于反映机械臂相对容错性能的容错空间影响因子,提出冗余度机械臂结构参数的最优设计方法,该方法可以用来确定使机械臂具有最佳容错操作性能的臂长参数.利用空间4R机械臂的仿真实例证明了其有效性.