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关键词： 机械臂   运动学分析   神经网络   RRT算法   避障路径规划  

摘要： 随着科技的不断发展和“中国制造2025”计划的提出,机械臂作为机器人领域的一个重要分支,在社会生产的各个方面得到了广泛应用,其工作环境也随着应用的不断拓宽而逐渐趋于复杂,因此在机械臂的工作空间中快速规划出一条不与周围障碍物发生碰撞的优良路径显得愈发重要。为此,本文以六自由度机械臂PUMA560为研究对象,开展了避障路径规划的相关研究,主要研究内容如下:(1)机械臂的运动学建模与分析。根据标准D-H参数法建立PUMA560的运动学模型,并在此基础上用解析法推导其正、逆运动学方程。针对传统逆运动学求解方法求解速度较慢且容易出现多解的问题,提出一种利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)隐藏层神经单元数和学习率的机械臂逆运动学求解模型,并通过仿真实验验证模型性能。(2)机械臂与障碍物的碰撞检测设计。简要分析并指出常见的几种层次包络盒碰撞检测法各自的优缺点,结合本文研究中障碍物为具体信息已提前标定的静态障碍物且机械臂底座位置固定的实验场景,进行碰撞检测设计,采用圆柱体包络法和包围球法分别把机械臂连杆和其工作空间中的障碍物包络为圆柱体和球体。(3)改进快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法。针对影响传统RRT算法路径规划效率的因素对其进行多策略融合改进,通过启发式目标偏向策略和引力势场使随机树偏向目标点方向扩展,提出一种自适应步长策略加快扩展速度,并对规划出的路径进行优化处理。分别在二维空间和三维空间进行本文改进算法与相关算法的仿真对比实验,验证本文改进算法的路径规划效果。(4)机械臂避障路径规划仿真实验。在不同复杂程度的障碍物空间分别基于本文改进算法和相关算法,进行多组PUMA560机械臂的避障路径规划仿真对比实验并分析过程指标,验证本文改进算法在机械臂避障路径规划领域的效果。

关键词： 机器人   刀具路径   曲率最优   PH样条   全局样条   冗余角光顺   实时插值  

摘要： 六自由度机器人凭借成本低,灵活性高,工作空间大等优点,被越来越多的应用到机械加工领域。由于计算机辅助制造软件(CAM)软件生成的机器人运动直线命令在拐角处的低阶连续性,导致机器人加工精度和效率的下降。本文对六自由度机器人刀具路径光顺与冗余自由度优化进行了研究。首先,针对微小线段构成的机器人线性命令在拐角处的切线不连续性问题,提出了基于构造非对称PH(Pythagorean–Hodograph)样条的局部光顺方法。其次,为解决现有的机器人冗余自由度规划方法未考虑整体路径的平滑性问题,提出了基于全局PH样条插值和多项式最优路径规划的机器人关节运动平滑方法。最终,在本文提出的方法基础上进行了软件开发与应用验证。本文主要研究内容和创新成果如下:1、机器人小线段路径非对称PH样条光顺。为了获得曲率更加平滑的刀具路径,本文提出了能充分利用光顺误差容许值的局部光顺方法。按照最大光顺误差容许值构建了拐角样条,并通过设计路径重叠长度计算构造了非对称样条曲线,从而解决了现有的对称样条方法的样条为避免样条重叠而过度缩短问题。实验结果表明,相比于现有的方法,本文所提出的非对称光顺方法在保证更低的跟踪误差下,降低小线段路径曲率极值46%,提高运动效率8.7%。2、基于全局PH样条的实时路径插值。为实现机器人加工路径的实时插值,分别对刀尖位置与刀具方向构建了C2连续的PH样条。通过引入四元数函数,实现了分段五次PH样条曲线的C2连续。实验结果表明,本文提出的样条插值方法可以实现机器人轨迹的曲率连续,且相对于现有路径光顺和插值方法可以在较低时间消耗下完成样条构建与弧长计算,足以实时执行。3、基于最优关节运动的机器人冗余角光顺。对机器人运动学模型进行建模,采用差分进化搜索算法获得了最小关节位移量冗余角初值。通过建立冗余角与刀尖位移的函数关系,实现了冗余角随着刀尖位移变化的全局平滑性。为保证关节运动平稳性,速度规划考虑了机器人关节运动速度和加速度约束。实验结果表明,相比于已有的方法,本文中的方法获得了更加平滑的关节运动,并缩短关节运动时间14%。4、软件开发与应用。在本文提出的光顺与加减速规划算法基础上,开发了机器人路径样条光顺与加减速优化软件,给用户提供了机器人路径光顺、加减速控制等功能模块,实现了机器人路径的高阶平滑和考虑关节动力学约束的加减速规划。最终,在UR10机器人平台进行磨抛加工验证,充分发挥全局样条和局部样条的优点对叶片加工路径进行了光顺。实验结果表明,本文提出的方法相比于已有的方法获得了更加平滑的机器人关节命令,以及更低的跟踪控制误差。

关键词： 机器人抓取   目标分割   三维重建   抓取预测  

摘要： 机器人抓取是当前的一个主要研究方向，随着深度学习的快速发展目标检测技术被应用于机器人抓取中。目前大多机器人抓取只适应于特定场景下的固定操作任务，面对不同类型的物体混杂的场景，识别和抓取困难。为了提高机器人抓取技术在的混杂场景中的应用，本文结合深度学习方法进行定位分割目标，对目标点云模型重建和优化模型，在抓取姿态预测策略下生成抓取姿态，选择最优姿态完成机器人自主抓取。主要内容如下：　　首先，在机器人抓取中，面向机器人抓取任务设计了机器人抓取系统，包含了机器人抓取中的主要技术特点和抓取系统框架。分析了视觉信息采集和空间到像素再到空间转换关系，对实际硬件进行了标定和配准。定义了机器人抓取的表示方法，对机器人抓取任务进行序列化分解和分析了机器人移动中路径的规划方法。　　其次，为解决机器人抓取的第一步识别问题，基于深度学习和残差网络结构的特点设计了一个抓取可行性识别网络，在Cornell、Jacquard和自建的数据集下训练，网络模型能够在单目标物体和多目标物体混杂场景中较好预测抓取可行性。通过抓取可行性图定位最大抓取可行性像素点，结合分水岭方法在图像中分割目标物体，并从原始点云中分割出目标物体的点云。本文所搭建的模型能够在单目标和多目标混杂场景中较快的定位物体，也能够定位未学习过的物体。　　此外，针对目标点云的无序和设备采集噪声大等问题，采用区域生长算法对目标点云进行快速重建，在保留原始点信息的情况下建立点之间的联系，采用区域平滑和表面平滑的方式降低点云噪声，减小大网格面的棱角，同时增加网格面的点数量，提高模型精度度，以还原完整度更高的模型。　　再者，本文提出基于面匹配的抓取预测策略，通过对目标物体进行面分割，计算各面的法线，在设定阈值下匹配法线的对立面组成可能抓取面对，按照实际抓取的深度宽度、抓取取向和抓取碰撞等建立的抓取预测策略来约束抓取点采样和抓取姿态计算，最终选择最佳的抓取姿态作为机器人末端执行的抓取位姿。　　最终，搭建了硬件平台和软件系统组成的机器人抓取平台，在抓取平台验证了目标分割和抓取预测的可行性，并完成机器人抓取实验。在抓取平台分别进行单目标物体和多目标物体的混杂场景抓取实验，抓取成功率分别为95.7%和94.0%，结果验证了方法的有效性和可行性。

关键词： 六自由度机器人   运动学分析   避障规划   改进人工势场法  

摘要： 随着智能制造的不断推进,机器人技术被广泛的应用于各个领域中,为社会发展提供了巨大便利。避障路径规划作为机器人应对复杂工作环境的关键技术之一,其避障能力能够有效安全提高机器人工作效率,因此,对机器人的避障路径规划的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以六自由度机器人为研究对象,进行了运动学分析、轨迹规划研究以及避障算法的分析与改进。本文主要的研究内容如下: (1)对六自由度机器人运动学进行分析。首先,采用D-H法对六自由度机器人进行建模。然后,通过齐次变换矩阵和解析法推导运动学方程,并利用Labview进行运动学仿真。最后,利用MATLAB对仿真结果进行验证,并且采用蒙特卡洛法求解六自由度机器人工作空间。 (2)对六自由度机器人轨迹规划进行研究。首先,对关节空间的多项式插值法进行分析与研究,利用MATLAB进行模拟仿真。其次,分别阐述笛卡尔空间直线插补与圆弧插补路径规划的基本原理,并且引入修正梯形函数对路径规划中位移、速度和加速度进行轨迹规划。最后,基于Solid Works motion完成六自由度机器人在笛卡尔空间轨迹规划仿真。 (3)对六自由度机器人避障算法进行分析与改进。首先,针对人工势场法局部极小值问题,通过引入斜率方程对障碍物的位置进行判定。其次,通过引入机器人当前点与障碍物的距离,实现动态调整排斥力偏转角度。最后,考虑到机器人的实际工作环境,引入机器人大小臂之间夹角对算法的影响,基于圆弧插补理论完成机器人平面避障至空间避障的转换。最终,基于仿真验证改进算法在机器人避障运动中的有效性与准确性。 (4)对六自由度机器人进行运动避障控制试验。首先,对机器人的硬件结构进行描述。其次,通过机器人避障试验对改进算法的有效性与合理性进行验证。根据试验结果,验证了本文提出的改进人工势场法能够避免传统人工势场算法中存在的局部极小值点,路径曲线平滑无振荡,并且与理想轨迹的位置误差较小。

关键词： 三自由度喷涂机器人   OPC通信   LuGre模型   前馈补偿   模糊PID  

摘要： 针对中小微汽车零部件喷涂企业人工喷涂转自动化喷涂的需求,本文设计研发了一款三自由度喷涂机器人。同时,为解决非线性摩擦造成三自由度喷涂机器人机电伺服系统控制精度下降和稳定性降低的问题,研究前馈补偿控制方法,设计了能够提高控制精度和稳定性的前馈补偿控制器,并通过仿真和实验对控制方法进行了验证,主要研究内容如下:(1)三自由度喷涂机器人方案设计。根据企业对汽车翼子板喷涂机器人的设计需求明确设计目标和设计标准,对三自由度喷涂机器人结构组成进行分析,确定主体结构传动方案并使用Catia软件设计三自由度喷涂机器人的三维模型。根据三维模型和设计需求确定三自由度喷涂机器人的主要硬件性能参数。(2)三自由度喷涂机器人动力学分析及摩擦模型建立。分析机电伺服系统的组成及工作原理,搭建三自由度喷涂机器人X轴机电伺服系统的数学模型。针对非线性摩擦力在三自由度喷涂机器人运行时干扰控制精度和稳定性的问题,采用Lu Gre模型描述三自由度喷涂机器人机电伺服系统的摩擦特性。运用不同的辨识方法对Lu Gre模型的动、静态参数进行辨识,并通过仿真验证所提出的辨识方法的有效性。(3)前馈模糊PID控制方法研究与控制器设计。为提高三自由度喷涂机器人机电伺服系统的控制精度和稳定性,在Lu Gre摩擦模型对摩擦特性进行前馈补偿的同时,运用模糊算法对PID参数进行自整定,提出了前馈模糊PID补偿控制方案,并以前馈模糊PID补偿控制方案为基础设计出前馈补偿控制器。在Simulink进行前馈模糊PID补偿控制方案仿真验证,仿真结果表明与传统PID控制相比,前馈模糊PID补偿控制方案能够有效提高机电伺服系统的控制精度和稳定性,有利于三自由度喷涂机器人的高精度控制。(4)实验平台搭建与实验结果分析。根据三自由度喷涂机器人结构方案搭建机械实物,研究三菱FX5U 64-MT/ES可编程逻辑控制器(PLC)为核心的运动控制系统,设计喷涂运动控制程序,完成三自由度喷涂机器人实验平台搭建。利用OPC通信技术将MATLAB中设计的前馈模糊PID补偿方案应用至PLC控制中。在与仿真相同运动工况下进行前馈模糊PID补偿实验,实验结果表明前馈补偿控制方案能够提高三自由度喷涂机器人控制精度和稳定性。

关键词： 辅助站立   阶段划分   运动学建模   控制  

摘要： 疾病或年龄增长等原因导致的站立困难问题会造成生活质量下降,通过辅助站立训练不仅可以帮助使用者完成站立过程,还可以锻炼使用者的独立站立能力。将机器人技术应用于辅助站立训练可有效降低康复医师的工作强度,提高康复训练效果。近年来,随着站立困难人群对辅助站立设备的需求不断增加,各种辅助站立机构不断涌现。本文针对一种三自由度辅助站立机构的运动学、动力学和控制开展研究工作,具体研究内容如下:(1)人体站立过程分析。结合国内外研究成果,对人体站立过程进行特征进行分析,并结合实际站立困难患者肢体特征,提出了一种基于屈膝运动的站立四阶段,并对不同阶段的运动特征进行了分析。通过实际屈膝站立过程的实验对站立四阶段的人体运动特征进行了描述。(2)辅助站立机构的运动学模型和人-机运动学建模研究。通过对辅助站立过程的分析,对辅助站立机构在矢状面内进行了简化,并建立了辅助站立机构广义坐标与驱动变量之间的运动映射关系。根据站立过程关节运动特点对人体结构进行简化,并依据人机协作站立特征构建了人机运动约束,由此建立了人机协同运动学模型,并通过仿真验证了运动学模型的准确性。(3)辅助站立机构人-机动力学建模研究。对人体站立过程的动力学特性进行了分析,并采用拉格朗日方法建立了人机系统辅助站立过程动力学模型,基于人机运动学模型构建了辅助站立机构驱动力与人体关节角度之间的映射关系,并通过联合仿真对模型的有效性进行了验证。(4)辅助站立机构的主被动控制算法研究。根据机构的运动特征和结构特性对辅助站立机构的被控对象进行分析,设计了辅助站立机构的PID控制器,并利用模糊控制原理对PID控制进行优化设计;基于辅助站立机构广义坐标特征对人体的运动状态进行描述,以人机交互力为输入信息对人体站立意图进行识别,以此为基础建立了基于有限状态机的辅助站立机构主动控制方法。最后设计并搭建站立实验平台,通过站立实验对算法的有效性进行了验证。

关键词： 六自由度   并联运动平台   运动学   路面谱   模糊PID控制  

摘要： 坦克火控系统的稳定精度是坦克综合性能测评时的一项重要指标,它代表了坦克对目标实施精准打击的能力。六自由度并联运动平台被用于坦克火控系统稳定精度测试时,具有运动精度高、承载能力强、结构简单等优点。将坦克火控系统相关传感元件安装在六自由度并联运动平台上进行调试,能够有效地降低测试成本和试验周期。本文以坦克火控系统六自由度并联运动平台为研究对象,从多方面对平台进行分析并建立仿真模型,在此基础上完成对平台的整体设计及控制策略研究。(1)简述了六自由度并联运动平台的整体结构,建立了上下平台的空间坐标系,通过使用齐次坐标变换矩阵建立了上下平台空间坐标系的映射关系,计算得出上平台部分的位姿反解方程,进而求解出速度与加速度的反解。对平台的动力学研究是利用拉格朗日动力学方程进行计算,依据上述理论分析的结果完成对平台的结构设计。(2)根据所设计的六自由度并联运动平台的结构,在Matlab/Simulink环境中搭建平台系统仿真模型,分析平台仿真系统重要模块的功能及设计构建方法,包括杆长计算模块、PID控制模块、执行机构模块等,对平台仿真系统进行静态验证与动态仿真,证明平台仿真系统具有准确性与稳定性,能够满足火控系统测试的要求。(3)分析影响火控系统的因素,分析路面谱的结构及路面功率谱密度函数与路面分级标准,基于白噪声法在Simulink中完成路面谱建模,并将其作为影响因素输入平台仿真系统,分析系统在路面谱作用下的运动特性,包括同等级路面谱激励下坦克以不同速度行驶与不同等级路面谱激励下坦克以相同速度行驶两种情况,得出结论路面谱等级越高,行驶速度越快,上平台定点(实际火炮轴线)的位置波动越大。(4)分析六自由度并联运动平台的控制方案,对常规PID控制与模糊PID控制两种控制方法进行对比分析,基于平台系统设计相应的模糊PID控制器,构建模糊PID控制器仿真模型,将其加载入六自由度并联运动平台系统中,与常规PID控制的结果进行对比,结果表明在模糊PID控制器作用下上平台定点坐标的波动范围减小,同时平台系统的杆长变化曲线更加平滑,验证了模糊PID控制策略具有更高稳定性。通过以上对六自由度并联运动平台的理论分析及仿真模拟,完成了坦克火控系统六自由度并联运动平台设计与控制研究,对实际应用在坦克火控系统精度检测中的六自由度并联运动平台的设计与控制提供了理论参考。

关键词： 机械臂   运动规划   滑模控制   强化学习  

摘要： 随着工业自动化进程不断加快与社会经济的飞速发展,机械臂的应用领域逐渐拓宽,人们对机械臂的实时性以及精度的要求也在不断提高。由于机械臂系统具有高精度和高度非线性,且关节间存在强耦合,除此之外,系统极易受到外部不确定因素的影响,所以针对机械臂的规划与控制一直以来是个难题。本文针对具有建模误差和外部干扰的五自由度机械臂系统,开展了机械臂运动规划与自适应控制方法的研究。主要研究工作如下:首先,针对实验室存在的五自由度机械臂,从硬件系统和控制系统两个方面进行了介绍,在CME软件中,以肩部关节电机为例,完成了电机的调试,为后续理论和仿真提供了研究基础。其次,基于机械臂运动学分析的理论知识,对研究对象五自由度机械臂的正向运动学进行了推导,并采用几何法对逆运动学的封闭解进行了求解。对求解出的结果在关节空间中利用五次多项式插值的方法实现了机械臂的轨迹规划。接着,通过拉格朗日方程建立了五自由度机械臂的动力学模型。针对具有系统不确定性和外部干扰的机械臂系统,设计了一种基于比例积分的滑模控制器(PISM),控制律中滑模项用于克服系统对参数及外部干扰的敏感性,鲁棒项则是消除系统存在的不确定性,包括建模误差和时变干扰。同时,借助Lyapunov稳定性第二判据证明了设计的滑模控制系统的渐进稳定性并通过相关仿真实验验证了 PISM控制器良好的控制性能及抗扰鲁棒性,多组仿真实验的对比也体现出了 PISM控制器对参数的依赖性;最后,为了解决PISM控制器对参数的高依赖性,提出了一种基于强化学习的自适应滑模轨迹跟踪控制方法(ASMRL),通过DDPG算法与控制过程信息、机械臂动力学模型之间的离线交互学习,完成对PISM控制器参数的在线调整。仿真实验工作在Matlab软件中完成,实验结果表明,在PISM控制器的基础上引入强化学习算法对控制器内部参数进行在线调整优化不仅可以提高控制器的自适应性,并且可以保证优秀的控制性能。为了全面分析ASMRL的控制性能,将PISM控制器、传统PD控制器与其进行轨迹跟踪对比,实验表明,提出的方法具有更好的轨迹跟踪性能、更稳定的控制输入品质和更低的能量消耗。