Inverse kinematics analysis of tubular joint welding robot

A rail type mobile robot introduced in this paper is used to carry out automatic welding on the T, Y and K-joints in offshore platform jackets. This robotic system is composed of a mobile platform and a serial manipulator. The structure of manipulator was designed according to the mathematical modeling of single brace tubular joint ; some improvements of the robot mechanism were considered to improve the flexibility＂ of manipulator and increase the workspace. The inverse kinematics analysis was solved through two steps calculation. The collision avoidance strategy used in the K-joint automatic welding was discussed. Moreover, the simulation results were presented to demonstrate the feasibility of the robot mechanism used in tubular joint welding and the validity of the joint value calculation method.

基于旋量理论的冗余机械臂避奇异算法研究

针对冗余自由度机械臂的奇异性规避问题进行了研究,对基于旋量理论对7自由度机械臂进行运动学建模,分析了机械臂的奇异性,并根据机械臂最小奇异值作为奇异性优化指标,推导了避奇异的机械臂速度级逆运动学算法。根据速度级逆运动学算法进行避奇异的路径规划实验,实验结果表明,逆运动学算法具有良好的精度,验证了避奇异算法的有效性,为冗余机械臂的运动规划奠定了基础。

基于解析法和遗传算法的机械手运动学逆解

研究优化机械手轨迹规划问题,机械手运动时要具有稳定性避障性能。针对平面3自由度冗余机械手优化控制问题,建立机械手的结构模型。提出用解析法和遗传算法相结合满足具有计算量小和适应性强的特点。在给定机械手末端执行器的运动轨迹,按着机械手冗余自由度,运动轨迹上每个点对应的关节角有无穷多个解。而通过算法可以找到一组最优的关节角,可得到优化机械手运动过程中柔顺性和避障点。仿真结果表明,该算法可以快速收敛到全局最优解,可用于计算冗余机械手运动学逆解,并可实现机器人的轨迹规划和避障优化控制。

冗余自由度机械手的避障控制

避障碍物一直是冗余自由度机械手的主要应用 ,本文采用伪逆矩阵法 ,以障碍物和机械手之间的距离的函数作为性能指标函数来解冗余自由度机械手逆解 ,进行避障控制 ,并提出一种简单的计算机械手和障碍物之间的距离方法 ,通过对一个三自由度的平面机械手进行仿真 。

机械臂逆运动学避障最优求解算法

针对多自由度机械臂在障碍物环境下逆运动学求解存在多解性和碰撞问题,提出了一种将碰撞检测算法、最短行程方法与差分进化算法相结合的具有避障能力的机械臂逆运动学最优求解算法。首先,以六自由度机械臂为研究对象,对机械臂和障碍物进行建模,并建立求逆运动学解的目标函数,目标函数由末端执行器位姿误差函数、目标角度与初始角度之间的变化量函数、碰撞检测函数加权求和组成;其次,利用差分进化算法对目标函数进行最优求解,为了减小函数权重对求解速度和精度的影响,设计了一种自适应权重优化算法,使得求解关节角度在优化求解初期快速达到最短行程位姿角度附近,而在优化求解后期具有更高的求解精度,即可求得具有避障能力、行程最短且高精度的最优逆运动学解;最后,以UR5机械臂为例,通过MATLAB软件中的Robotics Toolbox工具箱对所提算法进行仿真验证,验证了所提算法的有效性。

空间严格限制的机器人运动学优化的研究

对工作在狭窄、封闭、多障碍空间内的机器人的运动学优化问题进行了研究，提出采用控制变量法来实现机器人的障碍物躲避，给出了进行运动学优化的几个有代表性的目标函数。对工作在车体内的冗余自由度装填机器人１５５ＨＰ－１进行了优化，得到了满意的结果。

面向3C产品装配的高速冗余度机器人系统研究

针对3C产品高速装配领域,以平面3R冗余度机器人为研究对象,提出了一种驱动单元集中布置的传动方案,保证了机器人的快速性和稳定性.在Solid Works环境下,对平面3R冗余度机器人进行了三维模型设计,并联合Matlab软件中的Sim Mechanical插件完成机器人动力学建模及分析.采用D-H方法建立平面3R冗余度机器人运动学模型,基于此模型提出了一种针对冗余度机器人的避障路径规划算法,利用冗余运动链的自运动在零空间实现障碍回避.通过对平面3R冗余度机器人的仿真实验验证算法的有效性.

虚拟人手臂避障抓取运动规划

针对强干涉环境下虚拟人手臂无碰撞抓取物体动作规划问题,提出一种逆向运动学与运动规划相结合的求解方法.首先在现有FABRIK逆向运动学算法的基础上提出避障FABRIK算法,用于实现手臂无碰撞抓取姿态设计,作为最终抓取姿态;然后采用Bi-RRT算法,综合考虑7维角度域约束和对非光滑路径的简化问题对手臂进行无碰撞运动规划,产生从给定初始姿态到最终抓取状态之间的中间姿态.仿真实验结果表明,该方法速度快,产生的路径能有效地避开障碍;可用于强干涉环境下的虚拟人动作设计.

基于四元数的工业机器人逆运动学避障求解

随着人工智能技术的发展,工业机器人大量应用于夹取、搬运等工作场景,但由于逆运动学求解复杂,位姿多重解等问题存在,导致机器人鲁棒性差,限制其工业应用范围。为了简化工业机器人逆运动学的求解过程,同时实现复杂障碍物场景下对机器人位姿的精确控制,本研究使用四元数进行机器人位姿解算,并提出一种结合避障模块的改进粒子群(F-PSO)算法。通过与模拟退火算法(SA)、遗传算法(GA)在不同目标位姿下的对比实验分析,证明F-PSO算法表现更为优越,在收敛精度上较传统算法高36.41%以上;在收敛速度上比传统算法快83.82%以上。实验结果表明,本研究提出的F-PSO算法不仅能够精确控制机器人的位姿,而且有效地提高了工作效率,实现了复杂障碍物场景下机器人夹取过程的优化。

双臂手移动机器人空间桁架内避障移动研究与仿真

基于八自由度空间桁架用双臂手移动机器人,进行了机器人手爪结构设计。给出了末端手爪位姿确定方法。推导出逆运动学解析解、回避关节极限作业准则;在机械臂回避窗口型障碍理论基础上,进行了机器人回避障碍桁架杆的避障分析。最后,利用ADAMS软件进行了机器人虚拟样机运动仿真实验,并进行了基于试行错误方法的关节控制器设计和调试。

基于深度学习的冗余机械臂无碰运动规划

针对冗余机械臂运动规划过程中的避碰问题,提出一种基于深度学习的避碰运动规划方法。首先,建立冗余机械臂的运动学模型,借助Gilbert Johnson Keerthi算法进行碰撞检测,确定机械臂连杆与障碍物之间的安全距离;其次,将避碰运动规划问题转换成多元函数优化问题,以循环神经网络为主体框架,用天牛须搜索机制来防止算法陷入局部最优值和保证解的多样性;最后,在仿真环境下验证文中所提算法的有效性,结果表明:该算法的预测精度比改进人工势场法平均高出10.89%、算法时间节约2.44 s,其可以帮助冗余机械臂规划一条平滑、柔顺、无碰撞的运动轨迹,具有一定的工程参考价值。

回避障碍和关节极限二元准则的冗余度机器人运动学逆解研究

为解决梯度投影法求解回避障碍和关节极限下运动学逆解过于严格优化反而限制运动灵活性的问题，首先通过障碍边界约束化建立了通用多边窗口障碍回避作业准则。并根据作业函数对关节角导数的正负变号情况分别定义加权系数，进而引入较为合理的加权系数矩阵，得到了回避障碍和关节极限二元准则下冗余度机器人运动学的加权最小二乘逆解方法。

基于可操作度的虚拟人手部避障运动控制算法

研究复杂作业环境中虚拟人手部避障运动的高精度控制问题,问题的关键是解决虚拟人手的设计。为了灵活操作能在操作的末端临时变换姿态,给控制过程中手臂转动路线,速度,加速度等参数的控制带来较大困难。传统的控制方法通过增加控制自由度来解决这个问题,但是一旦自由度增加,会带来冗余控制影响,弊端较为明显。提出一种采用可操作度矩阵的逆向运动学控制算法,引入可操作度模型进行肢体末端效应器运动路径的生成,与HAL链IK分析求解方法相结合,实现了真实感较强的肢体实时运动控制。通过仿真和动作捕获实验验证了算法的有效性,可应用于人机工程仿真中的避障控制和干涉检查。

超冗余机器人避障轨迹规划

超冗余机器人的众多冗余自由度允许它在非结构化的工作环境中灵活运动,这将使得超冗余机器人能够在航天勘探、军事侦察以及医学检测等复杂任务中发挥出传统机器人无法承担的重要作用.目前对超冗余机器人轨迹规划方式的研究较少,尤其是超冗余机器人避障轨迹规划方面.针对超冗余机器人避障轨迹规划问题,首先阐述超冗余机器人运动学逆解与超冗余机器人轨迹规划之间的关系以及轨迹规划的方式.随后列举并探讨超冗余机器人避障轨迹规划的算法,包括局部避障规划算法、全局避障规划算法以及结合智能算法的避障规划,并对这些算法所存在的问题进行分析.最后对超冗余机器人轨迹规划的未来发展方向进行展望.

机械臂式治疗床的水平避障研究

重离子放射治疗对机械臂式治疗床摆位引导精度和精确定位精度有特殊要求,针对放射治疗室工作空间内的障碍物对机械臂式治疗床的运动干涉,提出了一种基于人工势场法的避障路径规划方法。首先根据治疗室的平面模型,结合D-H表示法建立碰撞干涉模型;然后利用人工势场法规划出治疗床末端执行器的避障路径,并根据每一处路径点的坐标利用逆运动学解,计算出每一组关节角;最后进行了避障仿真验证。仿真表明,该方法可以实时有效地避开障碍物,平稳到达目标点,适合治疗床的运动控制要求。

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。

七自由度焊接机器人的全局优化逆运动学算法

针对七自由度机器人运动学逆解过多,在复杂约束工况下难以保证关节运动连续性等问题,提出一种基于整条焊接轨迹全局优化的逆运动学算法。首先,根据S-R-S构型七自由度机械臂的改进D-H参数,对七自由度焊接机器人进行运动学建模。然后,引入冗余臂角变量,在满足关节限位及避障约束的前提下,计算离散后的空间焊缝轨迹中各位姿点的臂角范围,找到臂角的可行域;利用遗传算法优化B样条曲线的控制点参数,在整条焊缝轨迹范围内找到运动平稳且远离关节限位的全局最优臂角曲线。最后,将最优臂角值作为冗余限定条件,求解得到连续的关节角度。以“马鞍形”钢管相贯线空间焊缝为例开展仿真验证,得到了合理的运动规划,求解的臂角曲线变化率小于0.03,臂角曲线距离臂角边界的最小值大于0.5rad,各关节角度在避开障碍物的同时平稳连续且远离限位,符合焊接工艺要求,证明了逆运动学算法的可行性,为七自由度机器人在各行各业复杂工况下的高质量作业提供了理论依据。

3PSS-PU并联机构设计与工作空间分析

为了解决航空发动机短舱零部件装配中普遍存在的装配效率低、装配精度低、装配过程不可控等问题,设计一种在装配过程中与串联机器人相互协同工作的3PSS-PU并联机构。首先,通过机械构型确定机构位置的输入输出关系,建立运动学正反解方程,开展运动学分析;其次,推导机构的雅克比矩阵和质心速度,实现静力学分析;最后,建立结构位移约束,采用蒙特卡洛法研究机构的可达位姿工作空间。对算法进行Matlab编程求解,结果表明:3PSS-PU并联机构的总体可达高度为36 mm,当动平台距离静平台280~290 mm时,翻转角度和倾斜角度范围最大,动平台绕y轴旋转角度■,绕x轴旋转角度■,满足短舱装配的实际应用场景。