Flexible Bio-tensegrity Manipulator with Multi-degree of Freedom and Variable Structure

Conventional manipulators with rigid structures and sti ness actuators have poor flexibility,limited obstacle avoidance capability,and constrained workspace.Some developed flexible or soft manipulators in recent years have the characteristics of infinite degrees of freedom,high flexibility,environmental adaptability,and extended manipulation capability.However,these existing manipulators still cannot achieve the shrinking motion and independent control of specified segments like the animals,which hinders their applications.In this paper,a flexible bio-tensegrity manipulator,inspired by the longitudinal and transversal muscles of octopus tentacles,was proposed to mimic the shrinking behavior and achieve the variable motion patterns of each segment.Such proposed manipulator uses the elastic spring as the backbone,which is driven by four cables and has one variable structure mechanism in each segment to achieve the independent control of each segment.The variable structure mechanism innovatively contains seven lock-release states to independently control the bending and shrinking motion of each segment.After the kinematic modeling and analysis,one prototype of such bionic flexible manipulator was built and the open-loop control method was proposed.Some proof-of-concept experiments,including the shrinking motion,bending motion,and variable structure motion,were carried out by controlling the length of four cables and changing the lock-release states of the variable structure mechanism,which validate the feasibility and validity of our proposed prototype.Meanwhile,the experimental results show the flexible manipulator can accomplish the bending and shrinking motion with the relative error less than 6.8%through the simple independent control of each segment using the variable structure mechanism.This proposed manipulator has the features of controllable degree-of-freedom in each segment,which extend their environmental adaptability,and manipulation capability.

OPTIMAL CONTROL OF THE FLEXI-BLE LINK MANIPULATOR WITH CONTROLLABLE LOCAL DEGREES OF FREEDOM

Although flexible manipulators own many potential advantages, one of their major disadvantages is the deterioration of the end-effector accuracy due to the flexibility. Therefore, how to reduce vibration is a significant problem. Inspired by the observation on the motion behaviors of animals, a new idea of decreasing motion deflection of the flexible manipulator is suggested. The concept of controllable local degrees of freedom is proposed and analyzed. By way of optimizing local motion provided by the controllable local degrees of freedom, the end-effector deflection of the flexible manipulator can be effectively decreased through dynamic coupling. The corresponding optimal method for vibration control of the flexible manipulator is put forward. The kinematic simulation is carried ant on a three-link flexible manipulator The corresponding results verify the feasibility of this method.

Synchronous tracking control of 6-DOF hydraulic parallel manipulator using cascade control method

The synchronous tracking control problem of a hydraulic parallel manipulator with six degrees of freedom (DOF) is complicated since the inclusion of hydraulic elements increases the order of the system.To solve this problem,cascade control method with an inner/outer-loop control structure is used,which masks the hydraulic dynamics with the inner-loop so that the designed controller takes into account of both the mechanical dynamics and the hydraulic dynamics of the manipulator.Furthermore,a cross-coupling control approach is introduced to the synchronous tracking control of the manipulator.The position synchronization error is developed by considering motion synchronization between each actuator joint and its adjacent ones based on the synchronous goal.Then,with the feedback of both position error and synchronization error,the tracking is proven to guarantee that both the position errors and synchronization errors asymptotically converge to zero.Moreover,the effectiveness of the proposed approach is verified by the experimental results performed with a 6-DOF hydraulic parallel manipulator.

Kinematic Research on Hinged Synchronous Universal Joint Applied for Snake-like Manipulator

The structure and motion principle of a hinged synchronous universal joint (HSUJ) is introduced, also whose kinematics is theoretically analyzed. As a result, a few kinematic characters of the HSUJ are obtained,which establish the foundation of its application for snake-like manipulator. Making use of the HSUJ ss actuating mechauism, the developed snake-like manipulator has the merits of small curve radius, fewer actuator, and small volume etc.

Trajectory Optimization for 7-Dofs Space Manipulator

The space manipulator is always designed to have 7 degrees of freedom（Dofs）with the consideration of energy limitation,as well as the flexible moving possibility.Therefore,how to plan the trajectory is important to improve the performance of the manipulator.In this paper,the speed of the end effector is configured as a projecting parameter,when a constant acceleration is applied to adjust the velocity.To implement this trajectory planning strategy,an optimization algorithm through the pseudo inverse of Jacobin matrix is designed,which adjusts the weight functions of joints.According to the functional theory,this algorithm is analyzed and the optimal solution is found in numerous sets of planning.A MATLAB simulation platform is established and the results verity the effectiveness of the algorithm.

基于ANSYS的工业机械臂结构分析与拓扑优化设计

机械臂的刚度和固有频率对其可靠性有重要影响,需对其进行深入研究。文章对某型六自由度工业机械臂进行建模设计,在ANSYS软件采用有限元分析方法对机械臂在力矩最大的工况下进行静态结构分析和模态分析,验证其刚度和固有频率是否符合要求。进一步采用拓扑优化方法对大臂进行优化,然后对大臂进行模型重构,导入到整个机械臂中进行结构分析与模态分析,比较优化前后机械臂的性能差异,验证了改良后机械臂的可靠性,实现轻量化目标,为后续生产提供参考依据。

液压驱动型六轴机械臂运动学研究

针对煤矿工作环境的复杂性和不确定性,提出一种新型6自由度液压驱动串联机械臂,使其具备结构轻量化、控制精准化、操作简易化等特点。首先,以6自由度串联机械臂为研究对象,建立其运动学模型,推导运动学正、逆解;其次,利用极值理论和蒙特卡洛算法求解末端夹爪的工作空间,证明所设计的串联机械臂有效性;最后,选取机械臂运行的典型轨迹,使用不同的插值策略对机械臂运行的角度、角速度和角加速度进行对比分析。结果表明:6自由度液压驱动机械臂末端夹爪在五次多项式插值策略下运行平稳且连续,没有出现突变现象,可减小整机运行的柔性冲击,提升整机的使用寿命。

微创外科多自由度柔性超声手术刀研究进展

超声手术刀作为一种广泛应用的高效精准的能量器械,具有同时切割止血、较小热损伤、几乎无烟雾、自净能力强等优势,但是由于现有超声手术刀结构的约束,其运动自由度少,限制了其应用在机器人操作中的灵活性。经过科研人员在结构方面的不断优化和改进,在原有刚性超声手术刀的基础上,加入柔性结构,衍生出更加灵活的多自由度柔性超声手术刀。本文综述了刚性超声手术刀的发展以及柔性超声手术刀现有的设计方案,对于刚性超声刀的研究主要集中在结构的轻便以及工作性能的提高,对于柔性超声刀的设计分为将微型化的超声换能器放置在手柄端和放置在执行末端两类,分别分析这2种设计方案的具体结构,并讨论其优势和局限性。最后,对微创外科多自由度柔性超声刀未来的发展趋势提出展望。

2P6R拼装机械臂的运动学分析

目前隧道管片修复加固工作自动化程度低,存在施工安全隐患大、效率低、成本高、工人劳动强度大等问题.为实现隧道管片加固钢板的自动化拼装,首先,提出一种2P6R拼装机械臂方案,建立机械臂正运动学模型.其次,采用解析法对机械臂进行逆向运动学求解,以限制关节超限作为代价函数进行冗余解的选取,并在Beckhoff C6030-0080的TwinCAT 3平台进行逆运动学求解测试,验证算法具有较好的实时性.再次,利用微分变换法求得机械臂的雅可比矩阵,识别并列举边界奇异及内部奇异位形示例.最后,利用图解法绘制出机械臂可达工作空间截面及完整的三维可达工作空间,并进一步对机械臂进行灵活度分析,绘制出灵活度分布图.研究结果表明:2P6R拼装机械臂可以满足隧道管片加固钢板自动化拼装需求,为机械臂的应用提供理论基础.

多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法

针对当前多自由度柔性机械臂控制过程中,机械臂定位控制系数选择合理性较低,导致多自由度柔性机械臂控制时延较长且运动轨迹与预设轨迹存在较大差异的问题,提出多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法。将拉格朗日算子作为计算基础,以能量的方式构建多自由度柔性机械臂动力学模型。考虑到机械臂的负载状态,计算机械臂的重力矩,识别机械臂非线性连续时变反馈控制参数。设定非线性连续时变反馈控制规则,构建机械臂非线性控制器,实现机械臂定位控制。构建实验环节,实验结果表明:该方法可有效提升机械臂运动轨迹与预设轨迹的一致性,缩短机械臂定位控制时延,进一步提升机械臂应用效果。

空间七自由度冗余机械臂不平衡振动自动化控制技术

与其他机械臂不同,空间七自由度冗余机械臂在工作时容易出现不平衡振动,为了提升机械臂工作的稳定性,提出一种空间七自由度冗余机械臂不平衡振动自动化控制技术。通过关联机械臂关节之间的柔性振动和刚性振动,得到机械臂的振动频率,根据空间冗余机械臂的臂杆弹性变形激发,计算出机械臂的加速度,利用机械臂在旋转时的边界条件,提取出空间冗余机械臂弹性变形模量。根据机械臂关节伺服系统的组成,构建空间冗余机械平衡方程。通过提取机械臂的振动信号特征,得到机械臂振动信号的核心振频和随机频率,在振动信号的约束条件下,计算空间冗余机械臂不平衡振动的控制量,通过决策指令,设计了滑模控制器,实现机械臂不平衡振动的自动化控制。实验结果表明,文中技术可以缩小机械臂的振动幅度,并将振动位移控制在1mm以内。

基于自收敛同伦延拓法搜索七自由度机械臂零空间解集

针对七自由度机械臂零空间解集的无穷性,传统数值迭代只能求取单一解,解析法通用性较低,微分映射法精度较低的问题,本文在传统同伦延拓法的基础上采用同伦延拓参数自收敛的方式并加入关节限幅环节以优化延拓空间,并在此基础上,采用余弦函数作为同伦延拓辅助函数为方程组加入扰动。首先,根据改进DH参数法得到正运动学变换矩阵;其次,对自收敛同伦延拓法和传统同伦延拓法的求解时效、求解范围、对求解精度的适应性以及迭代限幅对求解的影响进行对比实验;最后,使用球形包围盒法结合加权取解的方式使得机械臂利用搜索到的零空间解集进行避障运动。经实验证明自收敛法的求解时效要优于传统法,加入关节限幅过程后,两种方法的时效性均有提升。

基于单片机STM32的搬运机器人控制系统设计与实现

针对传统搬运机器人存在的工作范围狭窄、只能工作于平坦地形等问题,文章提出一种将STM32单片机作为核心结构的控制系统,采用型号为NRF24L01的无线传输模块,使有效传输距离超过100 m,满足STM32单片机对电压的实际需求。为保证搬运机器人的灵活性,将人类手臂的分关节灵活弯曲工作特点作为主要依据,建立六自由度关节型机械臂。该机器人具有较高的使用价值,可最大限度地节约人力以及时间成本,实现生产线搬运的智能化、高效化发展。

基于五次B样条插值在机械手轨迹规划中的研究

针对曲面工件表面缺陷检测的难题,构建了基于机械手的自动涡流检测系统,并针对机械手跟踪工件曲面过程中出现的轨迹优化中的误差与波动问题,采用五次B样条函数方法对机械手轨迹进行优化。通过编写的正向、逆向运动学程序,将被检测曲面工件的位姿坐标转化为检测机械手臂各个关节的转动角度,并运用五次B样条曲线方法进行检测轨迹规划。五次样条B样条函数相对于传统的三次样条函数的误差消除效果有很大提升,具有较高的灵活性、广泛的适用性,实验结果表明该函数对轨迹规划有良好的优化效果。

双七自由度臂防碰撞协同控制算法研究

针对仿人双机械臂协同运动规划中防碰撞的核心问题,提出了一种双冗余机械臂防碰撞算法。建立有向包围盒(OBB)模型,结合基于单纯形退化的改进吉尔伯特-约翰逊-基尔特(GJK)算法,计算包围盒两两之间的距离,依照距离大小判断自碰撞发生的可能性。基于牛顿-辛普森迭代法计算出机械臂满足指定末端位置要求的逆解,然后进行基于包围盒欧氏距离的改良五次多项式插补以生成末端运动轨迹。实验结果表明,该套控制系统可以灵活地进行协同工作,完成包含插拔火炬钥匙、火炬传递相关动作在内的各项任务,且在协同工作过程中可以有效避免发生碰撞。

基于运动力学模型的采摘机械臂结构设计

以果蔬采摘机械臂为研究对象,设计一种能够在特定环境中使用的4自由度果蔬采摘机器臂,利用拉格朗日法建立机械臂运动学分析模型,并进行数值仿真。结果表明:机械臂运动过程平稳,能够满足采摘过程的精确控制和使用,各关节的最大力矩值均在合理设计范围内,能够满足果蔬采摘过程的作业需求。

五自由度机械臂系统设计与控制方式研究

针对机械臂在智能制造领域越来越大的需求,本文主要对五自由度机械臂系统进行设计,设计制作了一款具有人机交互功能的机械臂。通过对系统总体方案的设计,建立机械臂模型,选取关节连接件、电机、主控芯片和电源等部件,编写角度控制、姿态解算和用于解决冲击问题的比例-积分-微分(process identification,PID)控制程序,并结合模拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)角度反馈,实现机械臂误差补偿,确定PID参数,通过拟合控制函数提高控制精度。同时,开发了实现人机交互的上位控制系统,并对泡沫块、小木块和方块纸3种不同物体在不同的位置分别进行抓取实验。实验结果表明,3种物体抓取成功率分别为100%,96%和98%,实验过程稳定可靠,满足设计系统可行性要求。该研究扩大了机械臂在工业领域的应用范围,对改善传统工业结构具有重要意义。

基于神经网络的7-DOF机械臂时间收敛性研究

为解决7自由度(DOF)机械臂在利用径向基函数(RBF)神经网络自适应控制克服外界扰动时出现追踪慢的问题,提出了具有时变约束状态的神经网络自适应控制方案,给出了机械臂动力学方程,由神经网络训练求出权重;设计控制律,建立李雅普诺夫函数方程和不对称项推导其收敛性;利用Simulink仿真,针对时间收敛性分析了角位移、角速度、力矩以及扰动拟合;设计范围参数,以遗传算法(GA)优化。系统仿真结果表明,在保证控制精度的条件下,时间收敛性明显增快。

体育器材用多自由度机械臂运动轨迹控制方法

为增加体育训练的实用性和器材耐用程度,减少人力、物力资源消耗,降低受机械冲击产生的影响,提出一种应用在体育器材上的多自由度机械臂运动轨迹控制方法。分析关节转动的弧度,建立机械臂运动轨迹模型,依据模型内参数值求解各关节齐次变换矩阵,从正解和反解两个角度解析末端执行器位姿、固定关节坐标点,建立两者间的映射关系;以“353”多项式插值算法,确定关节速度、加速度和位置,实现最优轨迹控制。仿真分析证明:采用该方法的体育器材用多自由度机械臂运行轨迹更平滑、稳定性更高。

矿山智能加水站四自由度机械臂运动特性研究

为解决露天煤矿现有的矿山智能加水站机械臂作业震动问题,避免震动引起安全问题,以四自由度机械臂为对象,研究机械臂运动特性。采用改进的D-H参数法建立坐标系,并通过运动学方程进行正逆运动学仿真,建立加水站加水机构的机械臂模型,采用Matlab的蒙特卡罗法对机械臂模型的末端执行器进行位置采样,得到机械臂工作空间云图,确定机械臂所能达到的工作位置,依此规划用水设备的加水停靠位置;采用5次多项式插值算法,规划机械臂关节运动空间,用处于笛卡尔空间的路径点转换为对应关节角度,以实现机械臂的运动控制,得出各关节的位置、速度、加速度曲线。研究结果表明:机械臂速度、加速度均为先上升后下降,且变化平稳,各关节运动平稳,没有冲击和振动现象。轨迹规划显示速度平稳、没有冲击和震动现象,确保了机械臂较高的工作效率和平稳性,提高了自身的安全性能。