Anti-Windup Control Strategy of Drive System for Humanoid Robot Arm Joint

To address the problems of torque limit and controller saturation in the control of robot arm joint,an anti-windup control strategy is proposed for a humanoid robot arm,which is based on the integral state prediction under the direct torque control system of brushless DC motor. First,the arm joint of the humanoid robot is modelled. Then the speed controller model and the influence of the initial value of the integral element on the system are analyzed. On the basis of the traditional antiwindup controller,an integral state estimator is set up. Under the condition of different load torques and the given speed,the integral steady-state value is estimated. Therefore the accumulation of the speed error terminates when the integrator reaches saturation. Then the predicted integral steady-state value is used as the initial value of the regulator to enter the linear region to make the system achieve the purpose of anti-windup. The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm joint based on integral state prediction can play the role of anti-windup and suppress the overshoot of the system effectively. The system has a good dynamic performance.

MODELLING OF TWO-FLEXIBLE-ARM MECHANISM WITH ELASTIC JOINTS

The dynamic model of two-flexible-arm mechanism with elastic joints is studied.The transmission problem of the joint which connects two flexible links is successfully solved. The mechanical model is proposed for the joint, and a practical vibration analysis method of lumped parameter transfer matrix modal analysis is developed for two flexible arms with an elastic joint.

柔性关节航空航天机械臂抗干扰控制研究

航空航天机械臂具有柔性且对精度要求高,为抑制空间环境力矩和内部参数变化等干扰,提出了一种基于干扰观测器的航空航天机械臂反步控制策略。首先,建立柔性关节航空航天机械臂受干扰时的单关节数学模型,基于数学模型设计柔性关节航空航天机械臂的非线性干扰观测器,保证其能稳定估计干扰信号;然后,基于Lyapunov函数设计反步控制器,将干扰观测器估计到的干扰估计值补偿到反步控制器端,产生抑制实际干扰的控制量;最后,利用MATLAB/simulink搭建虚拟仿真进行验证。仿真结果表明,基于干扰观测器的柔性关节航空航天机械臂反步控制器能够有效抑制干扰,极大地改善了柔性关节航空航天机械臂的抗干扰性能。

机器人导航辅助下联合3D-C型臂微创手术治疗手舟骨骨折的临床疗效分析

目的研究机器人导航辅助下联合3D-C型臂微创手术治疗手舟骨骨折的安全性和有效性。方法回顾性分析保定市第一中心医院2020年5月至2023年7月收治的11例手舟骨骨折病人,其中男9例,女2例,平均年龄为33.8岁(20~65岁),对病人行机器人导航辅助下联合3D-C型臂双头螺纹空心加压螺钉内固定手术治疗。术后记录病人并发症的发生情况,比较术前、术后第1天、术后第3天炎性指标的变化,采用疼痛视觉模拟量表(visual analogue scale,VAS)评分、Mayo腕关节评分及腕关节活动度评价功能恢复情况。结果机器人导航手术均顺利完成,平均手术时间64.1 min(50~100 min),微创手术出血均少量,平均随访时间5.5个月(3~14个月),所有病人术后均无并发症发生。病人术后X线片及CT扫描显示手舟骨内固定螺钉位置良好,骨折位置良好。病人术后第1天、术后第3天的炎性指标与术前比较,差异均无统计学意义(P>0.05),各时间点两两比较,差异无统计学意义(P>0.05)。病人术后1个月、末次随访时的VAS评分和Mayo腕关节评分与术前比较,差异均有统计学意义(P<0.05),且末次随访时与术后1个月比较,差异有统计学意义(P<0.05)。末次复查X线片及CT扫描见骨折均愈合良好,病人伤侧腕关节平均主动活动度为:屈曲71.2°、背伸67.5°、尺偏42.6°、桡偏21.8°,功能活动良好。结论机器人导航辅助下联合3D-C型臂微创手术治疗手舟骨骨折安全有效,该手术精度高,创伤小,术后反应小,恢复快。

移动平台与机械臂联合作业运动规划研究

为解决复合式自动引导车(Automated Guided Vehicle,AGV)在实际作业中需移动平台到达目标点后机械臂再进行运动的工作模式导致的作业耗时长、效率低的问题,提出复合式AGV移动平台与机械臂的联合作业规划。利用栅格法构建环境地图,采用A*算法和蚁群算法分别对移动平台和机械臂进行运动规划,实现了复合式AGV的移动平台和机械臂的联合作业规划。经实验结果验证,联合作业规划比非联合作业平均节省时间为3.75 s,效率平均提高6.27%。

复杂场景下集成协作式木结构智能建造技术

为提高木结构建造技术数字化水平,将已有工艺与机械臂运动系统相结合,形成数字化建造工具系统。以切割、开榫、铣削及开孔四种工艺为例,对木结构数字建造技术进行剖析与设计,辅以建造装备系统、控制系统形成高度集成化的加工系统,借助可视化编程技术手段对工具系统运动轨迹、几何数据分析、自动适配工具及路径自动规划进行标准程序开发,选取斗拱结构进行建造实践。结果表明:所提出的加工系统可精确、高效完成非标准化、定制化异形结构建造任务,开发的标准程序实现了建构逻辑集成化应用,输入构件模型可自动生成机械臂可识别路径,通过实际建造验证了加工系统和标准程序的可行性及适用性。

基于ARM的危险作业机器人机械臂控制系统设计

针对高危险作业机器人工作环境的复杂性和作业任务的高难度,设计了机器人双关节机械臂控制系统。系统采用ARM处理器,由光电编码器采集速度和位置信息构成双闭环控制,从而使机械臂完成期望的运动轨迹,系统增加了电流内环反馈,提高了系统的响应速度。

基于模糊PID的核电厂多关节机械臂运动自适应控制方法

采用常规运动控制方法时机械臂关节角度误差较大,控制效果不佳,为此,设计一种基于模糊PID的核电厂多关节机械臂运动自适应控制方法。该方法先预处理机械臂的运动图像,然后以此为基础,获取多关节机械臂关节角度,以进一步了解机械臂的运动状态,最后建立机械臂运动隶属度函数,基于模糊PID调整自适应控制器的参数,优化核电厂多关节机械臂运动控制性能。结果表明,设计的多关节机械臂运动自适应控制方法对5种参数组合检测的机械臂关节角度误差均小于标准,其误差最高仅为0.16°,证明该方法对核电厂多关节机械臂运动自适应控制效果更好,具有一定应用价值。

电子元器件装配机器人关节跟随控制与仿真

针对装配机器人控制轨迹跟随性不好,提出了基于机器人关节跟随策略的电子元器件装配柔顺控制模型。将装配机器人关节相对角度误差和相对角速度误差作为控制系统的状态变量,并设计机械臂三关节跟随控制器,使用Matlab/Simulink对上述电子元器件装配柔顺控制模型进行分析并验证三关节跟随控制器的有效性。仿真结果表明,基于机器人关节跟随策略的电子元器件装配柔顺控制模型比传统PID控制系统模型精度误差显著减少,控制在0.05rad以内,能更有效地解决装配精度误差偏大的问题,同时结合机械臂三关节跟随控制方法,增强了电子元器件装配系统的稳定性,保证电子元器件机器人装配的质量。

空间约束下多关节机械臂架末端柔顺控制方法

多关节机械臂的运动具有惯性和延迟特性,由于机械臂的质量分布和关节间的连接方式等因素,导致当控制信号发生快速变化时,机械臂需要一定的时间来响应并改变自身的状态。这种延迟导致机械臂在控制过程中出现过度振荡现象,从而严重影响机械臂的控制精度。为满足该类型机械臂良好的动态响应能力,以空间约束为前提条件,设计一种新的柔顺控制方法。根据多关节机械臂的驱动机构结构,计算机械臂末端与物体间直线距离。将其作为末端位置的限制参量,建立闭环向量约束方程。基于最小能量法设计全局搜索策略,对机械臂运动轨迹实现约束。基于此,结合比例-积分-微分控制技术(Proportional-Integral-Differential,PID)与递推最小二乘法,设计臂架末端的柔顺控制方法。在模拟场景与真实场景中分别完成研究方法的性能测试。测试结果显示,该方法控制下的末端移动轨迹更佳,回形和环形轨道上的平均误差仅有0.954mm、1.036mm,多关节机械臂架的真实应用场景下,研究方法控制下机械臂末端安装的螺栓轴线与栓孔轴线间的水平偏差仅有0.23mm,控制精准度能够保证高精度操作任务的准确完成。

带电抢修机器人液压柔性关节多机械臂协同控制

液压柔性关节多机械臂是一种利用液压系统控制的多段柔性结构机械臂,当电力系统同时出现多处故障时,就需要带电抢修机器人的液压柔性关节多机械臂完成协调控制。而多机械臂在协作完成抢修任务的过程中,多机械臂的操作空间存在相互重叠部分,影响抢修任务的工作效果,为此,提出一种带电抢修机器人液压柔性关节多机械臂协同控制方法。基于机器人液压柔性机械臂协同控制结构,确定机器人多机械臂的基础控制参数,构建用于提取示教轨迹特征的高斯混合模型,并计算模型重要参数,将示教轨迹特征提取结果与滑模控制原理结合在一起,以李雅普诺夫全局稳定性定理为依据,使机械臂系统整体处于稳定状态,实现液压柔性关节多机械臂的协调控制。实验测试结果表明,所提方法可以控制机器人的4个机械臂按照示教轨迹和预先设定好的速度协同运行,各个机械臂之间互不干扰,共同完成带电抢修任务。

基于重载机械臂的结构优化设计

基于重载机械臂的结构优化设计,通过多次优化,成功降低了机械臂应力集中的现象,提高了其强度和可靠性。通过改变圆角尺寸、台阶位置和结构等特征,成功地将机械臂的等效应力降低了34.4%。这一优化设计为重载机械臂的安全运行提供了重要支持。

基于递归神经网络的机器人手臂轨迹跟踪控制

针对机器人手臂在连续变化的过程中不能及时跟随运动矩阵变化而导致的控制精度不高的问题,提出了一种基于递归神经网络的机器人手臂轨迹跟踪控制方法。首先建立了机器人手臂的动力学数学模型,并设计了机器人手臂的轨迹跟踪控制器。然后基于递归神经网络建立了轨迹跟踪线性变化参数模型,对机器人手臂运动轨迹进行实时调整,并通过求解静态反馈控制数值,实现了控制器参数的在线调整来适应外界环境的变化,从而有效改善了机器人手臂运动控制的精度。实验结果表明:所提方法具备更好的鲁棒性和较高的控制精准度,平均轨迹跟踪误差仅为0.008 m。研究结果可为机器人手臂的高精度控制提供理论支持。

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模

针对柔性关节机械臂在避障完成后位姿与目标位姿存在一定偏差的问题,提出柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。将五次B样条曲线作为柔性关节机械臂避障路径规划的基础,在避障任务中引入速度修正项,通过关节角和关键点避障速度确定速度修正项取值。建立避障路径自动控制数学模型,利用该模型控制柔性关节机械臂在到达目标位置过程中实现障碍物精准规避,完成柔性关节机械臂避障路径自动控制。实验结果表明,所提方法能够减小位姿误差,平稳关节波动,实际应用效果较好。

面向机械加工的开闭链混合机械臂设计与钻孔应用

采用机器人钻孔是提高钻孔自动化程度和保证钻孔精度一致性的重要途径,广泛应用于航空航天等重要领域。提出一种可用于机械加工的开闭链混合机械臂结构,基于能量法和卡氏定理建立机械臂关节变形量模型,分析影响机械臂受载变形的主要因素。通过搭建机械臂样机对厚8mm的7075铝合金进行钻孔加工实验验证了该型机械臂用于机械加工的可行性。

基于双插补轨迹控制的七关节机械臂避障

基于七关节机械臂的解析解,提出了一种新的机械臂轨迹控制算法,该算法基于双插补方法,其关键点在于利用机械臂腕部关节中心点的位置向量,通过推导这一向量在轨迹规划器TP中的插补运算方程,实现了机械臂运动轨迹的平滑规划.此外,该算法根据腕部中心点位置向量计算出第七关节的旋转角度,在每个插补周期内,算法计算得到的旋角值被添加到通过解析解计算出的逆解关节向量的第七关节角度值上,这实现了对机械臂关节轨迹的高精度控制.同时,通用的梯度投影法计算一组关节角度值作为解析解的备选解,实现了避免奇异点的影响的效果.这一方法的有效性在LinuxCNC实时控制平台和Matlab仿真平台上经过了充分实验验证,以机械臂的末端精度作为主要评估指标.研究结果表明,相较于传统的梯度投影法等算法,该算法在机械臂关节轨迹控制中具有显著的优势,特别是在提高末端精度和误差控制方面表现出明显优势.这一研究的成果为工业自动化领域提供了一种更可靠、高效的七关节机械臂轨迹控制方法,有望促进工业机械臂应用的进一步发展,为生产过程提供更高水平的精度和效率.

机械臂超声成像结合超声-CT配准技术构建胫股关节在体检测系统的可行性及精度分析

目的应用机械臂超声成像结合超声-CT配准技术构建胫股关节在体检测系统,并对该系统的测试精度进行评价。方法采集猪胫股关节及股骨标本的CT及超声图像,分别三维重建后进行手动配准;采集股骨标本六自由度运动超声图像,进行三维重建后与CT三维模型配准,比较CT三维模型间测量的位移与真实位移差值,计算配准精度;配准及精度计算由两名研究人员分别进行,计算组内相关系数。结果利用三维几何信息进行超声-CT手动配准构建胫股关节在体检测系统具有可行性;平移精度为0.94~1.16 mm,旋转精度为0.63°~1.50°;精度测量结果的组内相关系数为0.794(P=0.014)。结论本超声-CT配准技术是可行的,其精度能够满足胫股关节动态检测要求,未来需改进机械臂扫描获取超声图像的方法,利用计算机图像处理技术进行快速配准。

基于改进蚁群算法的六自由度机械臂轨迹规划

为了解决六自由度械臂末端轨迹的平稳性和效率的问题,针对多关节机械臂末端轨迹提出了一种基于改进蚁群算法的多关节机械臂轨迹规划。采用了关节空间轨迹方法包括B样条插值、三次多项式插值和五次多项式插值进行实验分析论证,同时根据改进的蚁群算法对机械臂的轨迹进行规划,对比位置的准确性、轨迹的连续性、加速度的变化率,确定最后的轨迹规划算法为改进的蚁群算法与多项式轨迹规划相结合效果最好。

基于AR技术的多关节机器人操作臂控制研究

由于多关节机器人操作臂受到关节部位转动角度的限制,导致其运动控制性能较差,因此设计了一种基于AR技术的多关节机器人操作臂控制方法。基于AR技术获取操作臂动作重构过程中的动态特征,采用分割方法获取实时动作函数,对操作臂与待抓取物体图像进行预处理。限制与约束多关节操作臂的运动能力,利用操作臂关节位置的极限优化函数计算操作臂关节的位置、速度和力矩极限值,并以此构造总体优化函数,定义加权矩阵并确定关节位置与极限位置的距离。实验结果表明,该方法可以准确地抓取物体,具有较好的精度。

基于关节受力特性分析的臂式发射机构射击姿态优化研究

为了提高武器站射界及机动性,改变传统武器站结构形式,将机械臂作为武器搭载平台,采用运动学及动力学仿真分析得出机械臂运动质心运动规律及关节扭矩变化规律,计算关节驱动装置相关参数,进一步得出以机械臂为搭载平台的武器站最佳射击姿态。首先通过Adams动力学仿真得到恒定后坐力峰值为121.25 N;其次通过运动学仿真及数据处理,得出各个关节负载质心分布区域,从而求解出各个关节负载转动惯量的分布区间,计算得出J3、J2分别为+70°、-60°时,J1负载转动惯量最大,为0.821 kgm2;当J3、J2分别为+70°、+15°时,J2负载转动惯量最大,为1.7196 kgm2;对不同射击姿态下的机械臂保持力矩进行仿真分析,J3、J2分别为+60°、+70°,J2扭矩最大,为72.98 Nm;J3为-15°时,J3扭矩最大,为12.64 Nm;然后对运动及发射状态下关节驱动装置参数进行计算;最后分析在满足全方位射击的前提下,关节驱动装置保持力矩最小最佳的射击姿态。