Control Performance Evaluation of Serial Urology Manipulator by Virtual Prototyping

Prostatic hyperplasia and tumor are common diseases,and the minimally invasive surgery inserting the instruments through the urethra into the prostate is commonly conducted.Taking the robotic manipulator for such surgery into consideration,this paper analyses the workspace of the end effector,and proposes the distribution error of the fixed point and the tracking error of manipulator end effector on the cone bottom surface of the workspace as the basis for control implementation of the manipulator.The D-H coordinate system of the manipulator is established and the trajectory planning of the end effector in the Cartesian space is carried out.The digital model was established,and dynamics simulation was performed in Solidworks and Matlab/Simulink environment to guide the manipulator design.Trajectory mapping and synchronization control between virtual model and the actual manipulator are realized based on digital twin technique.The virtual manipulator can reflect the real-time state of the manipulator with data interaction by comparing the dynamics simulation results with the motor current values obtained by experiment.Experiment was carried out with PD feedback control and Newton-Euler dynamics based feedforward control to get the trajectory tracking characteristic of each motor,errors of the fixed point and tracking performance of the end effector of the manipulator.The results show that compared with PD feedback control,feed forward control implementation can achieve a reduction of 30.0%in the average error of the fixed point of the manipulator and a reduction of 33.3%in the maximum error.

Planar Serial Manipulator Motion Synthesis

： This paper deals with the universal serial manipulator on the inverse kinematics problem of plane type, the fast working space solution method, and the obstacle avoidance path planning method. With the vector projection as the main constraint condition of the target, it proposes a general form of the inverse kinematics solution which does not depend on the robot configuration of freedom degree. By identifying the target vector direction maximum and minimum workspace boundary and determining the destination vector by thick search on the workspaee boundary method, an expressing method of the polar coordinate form of work space is then introduced. Finally, according to the form of plane trajectory planning for obstacle avoidance problem, the method of solving the inverse kinematics solution of the concave and convex forms of the safe obstacle avoidance area is improved. The simulation results verify that the proposed method has feasibility and generality.

机械臂负载移动性能与运动调控研究

工业的不断发展对机械臂的负载要求越来越高,而负载的增加会对机械臂末端的精度造成影响.本文以Franka七轴串联机械臂为对象,采用M-DH法和雅可比迭代法对其正、逆运动学展开分析;采用三次函数插值法进行关节空间的轨迹规划.基于拉格朗日方程建立了机械臂的动力学模型,并通过Admas和Simulink联合动力学仿真验证了动力学模型的有效性.最后基于定位控制,对末端位置误差收敛速率、负载质量、控制参数之间的关系展开研究.

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。

基于多目标约束的机器人复杂轨迹优化方法

工业及农业领域存在诸多复杂场景,使得机器人常面临由大量非连续离散局部路径组成的复杂轨迹,合理的运动规划是机器人实现预期作业目标的首要基础。本文提出一种基于非支配遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)的多目标综合优化方法,算法基于个体的相互支配关系进行分层并引入“拥挤度”指标来表征个体间的差异性,从而为保持遗传过程的种群多样性提供了有力支撑。同时建立了机器人运动学模型并构造了缩短机器人空载路程、运动时间及关节冲击的路径序列优化函数,并在笛卡尔空间与关节空间进行了高阶样条拟合与插值规划,显著提升了空间轨迹的光顺性及几何特性。基于NSGA-Ⅱ生成空间Pareto最优前沿解集,解决了机器人运动时间短、关节冲击小、任务路径优等约束下的多目标优化问题。优化后机器人运动路径长度缩减74%,作业效率提升33.44%,关节稳定性平均可增强50.97%,通过仿真与实验,验证了算法在改善机器人运动效率、连续性和非突变性等方面具有显著效果。

在轨集群操控关键技术研究进展与展望

对在轨集群操控任务计划相关研究成果进行了综述,并聚焦于在轨集群操控中的集群航天器型谱化设计、群体行为建模与智能涌现、集群自组网、集群智能感知、集群自主任务规划与分布式自主协同控制等关键技术,分别对这些关键技术进行了系统梳理与分类阐述,总结了其发展趋势;提出了一套面向大型空间设施在轨建造的集群操控体系能力框架。有望为未来大型空间设施在轨建造及集群操控发展提供借鉴和参考。

基于改进麻雀搜索算法的机械臂路径规划

针对串联机械臂在三维空间的无碰运动规划问题,提出一种基于改进麻雀搜索的无碰运动规划方法,对比蚁群算法在此问题的应用,改进算法效果出色。首先,利用包围盒法建立机械臂与障碍物模型,使机械臂与障碍物的碰撞检测抽象为空间内判断直线与平面的相交问题;其次,把无碰运动规划问题转化为函数优化问题,利用新颖的麻雀搜索算法,融合柯西变异与反向学习机制对其控制参数改进;最后,构建三维环境模型在MATLAB中仿真验证算法的可行性。结果表明,所提算法可使机械臂在三维空间中避碰预设的障碍物且基于多项式插值法规划的轨迹连续平滑,满足各关节角度与速度的光滑连续。

Paden-Kahan第二子问题扩展问题求机械臂逆运动学研究

自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来,工业机械臂已成为制造业中“减人不减效”的抗疫战争中的设备关键,而运动学逆解是机械臂进行工作轨迹规划及优化工作效率的理论前提。相比Denavit-Hartenberg法,旋量理论法求解效率较高,且以得到学界业内的大量应用。但旋量理论法的逆解基础Paden-Kahan子问题,只能解决特定的自由度较低串联机构的逆解问题,具备一定局限性。这里在Paden-Kahan第二子问题的基础上,提出了其第二子问题的一种新的扩展问题,实现了对其经典问题进行补充。最后以ABB IRB2600型机器臂作为验证对象,并验证了其有效性。

Orientation angle workspaces of planar serial three-link manipulators

This paper presents a classification on the workspaces of planar serial three-link manipulators, that is, position workspace and orientation angle workspace. Position workspace indicates the region reached by the reference point on the end-effector. Orientation angle workspace indicates a set of angle ranges by which the end-effector can reach with certain orientation for every point in the reachable position workspace. By introducing a virtual equivalent mechanism, reachable position workspace can be di- vided into several Grashof intervals and non-Grashof intervals. The calculation equations of orientation angle workspace are deduced in three situations according to the relationships among four link lengths in the virtual four-bar chain. Three examples are given for three kinds of relationship of link lengths. The orientation angle workspace of extended groups, that is, two of the three link lengths equal, and the orientation angle workspace when the reference point on the end-effector moves along a non-radial direction are also discussed. A program is developed to calculate orientation angle workspaces and output variation curves of orientation angle workspace and key data within the position workspace. The approach and program in this paper can be used for fast calculation and identification of the variation rule of the orientation angle workspace of any given planar serial three-link manipulator on the basis of its link parameters, and for the design of a highly dexterous serial manipulator with proposed link rela- tions.

Orientation angle rotatability of planar serial n-link manipulators

This paper presents a new method of analyzing the orientation angle rotatability of a planar serial n-link manipulator by examining the rotatability of its virtual equivalent mechanism.Workspace orientation boundary region decomposition is proposed based on the polynomial discriminant derived from a serial three-link manipulator.Orientation angle workspace indicates a set of angle ranges by which the end-effector can reach with certain orientation for every point in the reachable position workspace.By introducing a virtual equivalent mechanism,the open-chain kinematic problem is converted into a close-chain mechanism,and the Grashof-type condition is used to examine the rotatability of the end-effector link.The reachable position workspace can be divided into several Grashof intervals and non-Grashof intervals based on the extreme positions and singular configurations of a manipulator.The derived equations in this paper can be used to calculate the variation rule of the orientation angle workspace of any given planar serial n-link manipulator on the basis of its link parameters.The orientation angle rotatability of a seven-link serial manipulator is solved by the proposed method and graphical representations of the orientation angle workspaces are mapped onto a three-dimensional coordinate system.The theoretical approach has practical significance for the design of a highly dexterous serial n-link manipulator with proposed link relations.

2(2-UPR+SPR)串并联机构雅可比矩阵的建立

建立了一种新型串并联机构的雅可比矩阵。首先,介绍了一种新型的2(2-UPR+SPR)串并联机构,该机构由两个2-UPR+SPR机构串联而成,它具有串联机构和并联机构的共同优点。然后,根据2-UPR+SPR机构中存在的几何约束建立了其速度约束矩阵和速度耦合矩阵。最后,分析了2(2-UPR+SPR)串并联机构的速度传递关系,通过合理处理独立并联机构的速度耦合和约束关系,建立了2(2-UPR+SPR)串并联机构整体正向和逆向雅可比矩阵。研究结果表明,2(2-UPR+SPR)机构的雅可比矩阵包含各个独立并联机构的运动、约束和耦合信息。所提出的建立2(2-UPR+SPR)机构雅可比矩阵的方法也适合其他串并联机构。

串联机器人机械臂工作空间与结构参数研究

工作空间的体积可以反映串联机器人运动灵活程度。研究了一种串联机器人机械臂的工作空间问题。首先,提出机械臂的基本结构,进行简化,得到其运动模型;在此基础上对机械臂进行了运动学分析;然后,采用蒙特卡洛法分析该机械臂的工作空间,得出了机械臂末端的工作空间点云图;提出了自适应划分网格方法,并用该方法计算了该工作空间的体积;最后,分析了机械臂结构参数对工作空间体积的影响,为机械臂的参数优化提供了理论依据。

空间机器人柔性臂的动力学轨迹跟踪控制

机器人柔性臂控制问题是目前机器人研究中的一个重点和难点．本文运用基于关节的求逆技术，得到了有关大质量负载的空间机器人柔性臂动力学轨迹跟踪非线性控制问题的有效方法，并以一平面二杆空间机器人柔性臂为例进行了控制的仿真研究．仿真研究的结果表明，该方法具有较高的可靠性和良好的控制效果．

n(3-RPS)混联机构静力学和刚度模型

建立了一种混联机构n(3-RPS)的静力学和刚度模型。首先,基于这类机构运动特性分析了n(3-RPS)机构的速度传递关系。其次,基于虚功原理建立了n(3-RPS)机构的静力学模型。最后,建立了n(3-RPS)机构的刚度模型,求取了n(3-RPS)机构的变形。为验证机构刚度和变形模型的正确性,建立了2(3-RPS)机构和3(3-RPS)机构的有限元分析模型并进行仿真,研究结果表明计算结果和有限元仿真结果基本一致。本文中建立n(3-RPS)机构刚度的方法也适合其它混联机构。

基于多变量预测补偿的机械臂精度提升方法

为了减小由运动学参数不准确引起的机械臂位姿误差,传统方法是标定机械臂的连杆参数,但标定后的真实连杆参数不便于逆运动学解析解计算。提出一种基于遗传算法的对机械臂关节旋转变量直接进行修正的方法来提来机械臂定位精度。首先建立机械臂运动学模型和误差模型,得到关节修正量的求解公式。通过NDI三维动态位移测量系统检测机械臂末端执行器的实际位姿,作为样本,并构建遗传算法的适应度函数,采用遗传算法计算出各关节旋转变量补偿量。最后,将该修正值应用于设计的六自由度串联机械臂的控制,多组实验数据证明该方法的有效性及其提高机械臂的绝对定位精度的性能。

串联机械手工作空间的求解

针对串联机构工作空间求解的问题,运用了一种不同于蒙特卡洛的方法即仿真法进行了求解。该方法是借助于Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱,根据串联机械手简易模型参数创建出串联机械手仿真模型,然后利用仿真的形式跟踪串联机械手的末端轨迹,并记录其末端点到达位置坐标,以此绘制出串联机械手的工作空间。最后,将此方法与蒙特卡洛方法进行了比较,结果证明用该方法求解工作空间不仅避免了繁复的运动学方程求解过程,而且得到的工作空间图形效果更优于蒙特卡洛方法。

6R操作臂逆运动学分析与轨迹规划

提出一种依赖初始位形的6R串联操作臂运动学逆解模型与轨迹规划方法。以折叠状态下6R串联操作臂各关节轴线方向单位矢量和位置矢量为基础,运用旋量理论与指数积方法建立该操作臂在初始状态下的运动学模型,以解析法得到该操作臂的16组运动学逆解,通过规划末端执行器在全局坐标系下的位置和姿态运动轨迹,应用运动学逆解得到各关节的运动轨迹。仿真结果表明该操作臂运动学模型、逆解方法与轨迹规划结果正确。该方法建立的6R串联操作臂运动学模型及逆解方法具有建模简单、易于求解、便于轨迹规划等优点。

2PPPPS-R-2PPPPS新型串并联机构分解和综合

基于传统的串联和并联机构构建新型6自由度串并联机构,通过直线驱动实现输出主轴的三维移动和转动。利用机构分解和综合方法,将原机构一次分解可以得到一串联分解组元和一并联分解组元,将一次串联分解组元和一次并联分解组元二次分解,可分别得到4个二次串联分解组元和2个二次并联分解组元,将各组二次分解组元用等效机构表示,对各组元的等效机构逐级进行反向综合,从而得到原机构的等效机构,利用公式和空间活动能力表示方法可以求得机构的自由度,并可以得到机构活动空间能力的直观实体图示。采用解析几何的方法得到机构可达工作空间的形态为一规则的长方体,可达工作空间体积取决于机构平移运动副的运动极限。通过作图法对机构输出主轴在任意空间位姿的极限偏转角度进行分析,得知垂直可伸缩杆的极限长度是影响偏转的主要因素。

多自由度机器人逆运动粒子群优化求解方法

多自由度串联机器人逆运动求解的传统方法是从逆运动方程出发求解析解,在机构存在冗余自由度的情况下会出现求解困难。提出了利用粒子群优化理论直接从正向运动方程出发,求解机器人关节变量的方法。讨论了通过粒子群优化算法的位置-速度搜索模型求解关节变量的方法和步骤。实验对比了求逆运动解析解和本方法结果的差异;验证了在约束条件下搜索关节变量值的效果。实验证实了本算法的有效性。

串联机械臂结构优化方法

为解决串联机械臂结构优化问题,提出一种基于工作空间和能量消耗综合指标的机械臂结构优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以满足原有全局性能指标约束为前提,以机械臂工作空间和特定工作区域上的能量消耗为性能指标,利用遗传算法优化机械臂结构参数,使优化后的机械臂不但具有原设计工作空间特性,而且运行能量消耗最优;推导了基于工作空间和能量消耗的综合性能指标计算方法,并给出基于实数编码遗传算法的机械臂结构优化算法.在某6R型串联机械臂结构优化上的应用结果表明:该机械臂结构优化方法能有效地优化机械臂结构,减小运行能量消耗,优化结果能够满足预定工作空间特性约束.