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数据驱动的冗余机器人双层运动规划

中国科学：信息科学 2024年第4期54卷 960-975页

作者：刘梅尚明生中国科学院重庆绿色智能技术研究院重庆400714 中国科学院大学北京101408

冗余机器人在智能制造、救灾抢险与太空探索等领域扮演着重要角色.然而,对结构信息不准确或未知的冗余机器人进行运动规划是一个棘手的问题.此外,若不考虑冗余机器人末端执行器的姿态约束,可能会因姿态的不可控性导致任务失败.为解决该... 详细信息

冗余机器人在智能制造、救灾抢险与太空探索等领域扮演着重要角色.然而,对结构信息不准确或未知的冗余机器人进行运动规划是一个棘手的问题.此外,若不考虑冗余机器人末端执行器的姿态约束,可能会因姿态的不可控性导致任务失败.为解决该问题,在考虑末端姿态保持和多层关节物理限制的基础上,本文针对模型未知的冗余机器人提出了一种基于数据驱动技术的双层运动规划方案.该方案在关节角加速度层求解的同时能实现最小化关节角速度范数的要求.进而,构建一个离散神经动力学求解器以在线求解该方案.理论分析、仿真和物理实验验证了所提数据驱动的冗余机器人双层运动规划方案的可行性和有效性.

关键词：冗余机器人姿态保持数据驱动神经动力学非线性优化

冗余机器人喷涂系统改进人工鱼群逆运动学求解算法

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中国机械工程 2022年第11期33卷 1317-1323页

作者：刘雪梅冯焱杨振李爱平卢军国同济大学机械与能源工程学院上海201804 上海外高桥造船有限公司上海200137

针对一种带有冗余自由度的船舶分段机器人喷涂系统逆运动学问题,使用改进Denavit-Hartenberg(DH)参数法建立了机器人系统的运动学模型。以位姿误差最小及关节行程最短为目标,构建了冗余机器人逆运动学问题优化模型,提出一种改进人工鱼... 详细信息

针对一种带有冗余自由度的船舶分段机器人喷涂系统逆运动学问题,使用改进Denavit-Hartenberg(DH)参数法建立了机器人系统的运动学模型。以位姿误差最小及关节行程最短为目标,构建了冗余机器人逆运动学问题优化模型,提出一种改进人工鱼群算法(IAFSA)对模型进行求解。IAFSA引入基于正态分布的视野范围及移动步长动态调整策略来改善解的精度并缩短计算时间,提高算法综合性能。与人工鱼群算法和混合改进人工鱼群算法进行了对比实验,实验结果表明IAFSA搜索能力强、收敛速度快、计算时间较短,逆解良好的精度和误差稳定性在SolidWorks Motion仿真中得到验证,体现了IAFSA算法在冗余机器人逆运动学求解问题中的有效性。

关键词：改进人工鱼群算法冗余机器人逆运动学正态分布衰减船舶喷涂

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基于包络法的冗余机器人运动可靠性研究

兵工学报 2022年第6期43卷 1426-1434页

作者：丁力谷加辉周金宇康绍鹏陈逸飞李子依江苏理工学院机械工程学院江苏常州213001 金陵科技学院机电工程学院江苏南京211169

为研究7自由度冗余机器人中连杆长度、连杆偏距及关节角对末端执行器运动可靠性的影响,提出一种基于包络法的运动可靠性分析方法。在获得机器人运动学误差函数的基础上,通过1阶泰勒公式将其线性化处理,并采用概率法得到末端执行器位置... 详细信息

为研究7自由度冗余机器人中连杆长度、连杆偏距及关节角对末端执行器运动可靠性的影响,提出一种基于包络法的运动可靠性分析方法。在获得机器人运动学误差函数的基础上,通过1阶泰勒公式将其线性化处理,并采用概率法得到末端执行器位置和姿态的失效模型。采用包络法将时变运动可靠性问题转换成时不变运动可靠性问题,找到轨迹中失效概率最大的点,引入协方差矩阵解析失效极值点与端点之间的内在关系,以多维正态积分计算得到机器人运动可靠度。通过仿真算例对所提方法的有效性进行验证。结果表明:包络法获得的结果与蒙特卡洛法的求解结果基本吻合,求解效率得到了较大的提升;与等效极值法相比,包络法的求解精度较高、鲁棒性较好。

关键词：冗余机器人运动可靠性包络法概率法

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面向模型未知的冗余机器人运动规划方案

兰州大学学报（自然科学版） 2023年第4期59卷 506-511页

作者：刘佰阳郑宇魏琳刘梅金龙兰州大学信息科学与工程学院兰州730000 腾讯Robotics X实验室广东深圳518057

为解决模型未知的冗余机器人运动规划问题,提出一种基于梯度下降的学习方案,使用数据驱动技术将冗余机器人的末端执行器速度及关节角速度作为系统输入量,将冗余机器人各关节控制信息作为系统输出量,使用梯度信息最小化估计误差以得到雅... 详细信息

为解决模型未知的冗余机器人运动规划问题,提出一种基于梯度下降的学习方案,使用数据驱动技术将冗余机器人的末端执行器速度及关节角速度作为系统输入量,将冗余机器人各关节控制信息作为系统输出量,使用梯度信息最小化估计误差以得到雅克比矩阵的估计值.基于该方案设计了一种加速度层的冗余机器人运动规划方案.理论分析和数值仿真结果均证明该方案能有效控制模型未知冗余机器人完成运动规划任务.

关键词：冗余机器人未知结构模型雅克比矩阵学习梯度下降

基于改进蝴蝶优化算法的冗余机器人逆运动学求解

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机械设计与研究 2022年第1期38卷 94-97页

作者：邵长春胡国明陶汉卿柳州铁道职业技术学院自动控制学院广西柳州545616 武汉大学动力与机械学院武汉430072

为提高冗余机器人逆运动学求解的精度,在研究蝴蝶优化算法(BOA)的基础上,将反向学习策略、柯西变异机制、余弦指引机制引入BOA中,提出了改进蝴蝶优化算法(IBOA)并将其应用于冗余机器人逆运动学求解中。3个典型测试函数的结果表明,IB0A... 详细信息

为提高冗余机器人逆运动学求解的精度,在研究蝴蝶优化算法(BOA)的基础上,将反向学习策略、柯西变异机制、余弦指引机制引入BOA中,提出了改进蝴蝶优化算法(IBOA)并将其应用于冗余机器人逆运动学求解中。3个典型测试函数的结果表明,IB0A的求解精度、求解速度和计算稳定性比BOA和两种改进型BOA更优;冗余机器人逆运动学求解实例结果表明,IBOA的求解结果更佳,机器人位姿误差更小,具有一定的优势。

关键词：蝴蝶优化算法柯西变异冗余机器人逆运动学解

基于Baxter冗余双臂机器人的轴孔装配轨迹规划研究

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浙江工业大学学报 2022年第6期50卷 599-608页

作者：徐建明杨冰冰浙江工业大学信息工程学院浙江杭州310023

针对Baxter冗余双臂机器人轴孔装配操作任务,研究了一种孔外、孔内两阶段轴孔装配轨迹规划策略。首先,根据机器人装配过程中由右臂末端受力反映出的轴和孔接触状态,考虑双臂末端受力均衡,提出了一种操作空间轴孔装配的双臂运动轨迹规划... 详细信息

针对Baxter冗余双臂机器人轴孔装配操作任务,研究了一种孔外、孔内两阶段轴孔装配轨迹规划策略。首先,根据机器人装配过程中由右臂末端受力反映出的轴和孔接触状态,考虑双臂末端受力均衡,提出了一种操作空间轴孔装配的双臂运动轨迹规划方法;然后,结合关节限制和最小关节力矩的优化函数,基于投影梯度法和Newton-Raphson迭代方法,研究了基于Baxter冗余双臂机器人的逆运动学优化求解算法;最后,通过Baxter双臂机器人轴孔装配实验进行对比分析。实验结果表明轴孔装配轨迹规划及逆运动学解算方法的有效性。

关键词：冗余机器人优化函数轴孔装配双臂机器人

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冗余机器人的双向自运动路径规划

控制理论与应用 2005年第4期22卷 547-550页

作者：马保离北京航空航天大学第七研究所北京100083

冗余机器人的自运动路径规划是在保持手端任务向量不变的情况下,在关节空间内寻找一条连接机器人初始关节构形和期望关节构型的几何路径.本文给出一种双向自运动路径规划算法,其基本思想是使位于初始关节构形的真实机器人和位于期望关... 详细信息

冗余机器人的自运动路径规划是在保持手端任务向量不变的情况下,在关节空间内寻找一条连接机器人初始关节构形和期望关节构型的几何路径.本文给出一种双向自运动路径规划算法,其基本思想是使位于初始关节构形的真实机器人和位于期望关节构形的虚拟机器人在自运动流形上运动并收敛到同一关节构形,从而得到一条连接初始和期望关节构形的自运动几何路径.该算法克服了以往算法容易陷入局部极小构形的缺陷.仿真结果证实了算法的有效性.

关键词：冗余机器人自运动路径规划

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七轴冗余机器人逆向运动学混合快速求解算法

组合机床与自动化加工技术 2022年第5期 88-91,95页

作者：谷加辉丁力刘晨李子依江苏理工学院机械工程学院常州213001

传统数值法在求解七轴冗余机器人逆向运动学问题上易受末端位姿初值的影响,求解精度通常不高,无法满足工业生产要求。针对上述问题,提出了一种综合雅克比伪逆法和循环坐标下降法的混合快速算法来提高求解精度。首先,在已知末端执行器目... 详细信息

传统数值法在求解七轴冗余机器人逆向运动学问题上易受末端位姿初值的影响,求解精度通常不高,无法满足工业生产要求。针对上述问题,提出了一种综合雅克比伪逆法和循环坐标下降法的混合快速算法来提高求解精度。首先,在已知末端执行器目标位姿的前提下,利用雅克比矩阵法获得冗余机器人关节角的近似解;其次,将关节角近似解作为循环坐标下降法的初始值,采用基于前向递归算法进一步挖掘潜在的最优关节角解,使得冗余机器人末端执行器趋近目标位姿;最后,通过逆解仿真算例对所提算法的有效性进行了验证,结果表明混合快速算法的求解精度能达到10^(-6),求解时间可控制在0.5 s以内,具有较好的逆向运动学求解质量与求解效率。

关键词：冗余机器人逆向运动学混合快速算法雅克比矩阵循环坐标下降法

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基于动态神经网络的冗余机器人鲁棒运动规划

基于动态神经网络的冗余机器人鲁棒运动规划

作者：何丽兰州大学

学位级别：硕士

随着人工智能技术的发展,机器人逐渐向工业、医疗、教育等领域渗透。冗余机器人是其中应用最为广泛的一类,通常作为一种机械化工具,代替人们周而复始地完成各种繁琐的任务。因此,冗余机器人的运动规划研究对推动机器人产业发展有着重要... 详细信息

随着人工智能技术的发展,机器人逐渐向工业、医疗、教育等领域渗透。冗余机器人是其中应用最为广泛的一类,通常作为一种机械化工具,代替人们周而复始地完成各种繁琐的任务。因此,冗余机器人的运动规划研究对推动机器人产业发展有着重要的理论和实践意义。传统的运动规划方法通常难以兼顾多方面的需求,比如噪声抑制、关节物理约束、轨迹精度、姿态控制等。为满足任务需求的多样性,本文从优化角度构建了冗余机器人的运动规划方案,设计了动态神经网络（dynamic neural network,DNN）在线求解模型,并利用其可拓展性,设置噪声抑制项,处理各种噪声,增强模型的鲁棒性。本文的主要研究内容概括如下。首先,本文研究了基于速度层双指标加权（bi-criteria weighted,BCW）的运动规划方案并设计了残差免疫的动态神经网络（residual immune dynamic neural network,RIDNN）模型。所构建的BCW方案可以实现关节误差和关节速度无穷范数的优化,通过增加解耦项,在理论上实现关节误差和位置误差的解耦。然后,本文分析了RIDNN模型在有界噪声影响下的误差界,并从理论和仿真两个方面验证了RIDNN模型求解的BCW方案的有效性。此外,本文还设计了在卡尔曼滤波器辅助下的运动规划系统,并验证了其对测量噪声的抑制效果。其次,考虑到BCW方案难以处理关节加速度约束,并且对应的求解模型噪声抑制能力有限,本文进一步研究了基于加速度层的周期运动生成方案（cyclic motion generation,CMG）方案,并设计了抗噪动态神经网络（noise-tolerance dynamic neural network,NTDNN）模型。CMG方案可以对关节角度、速度、加速度的范围进行约束,并在关节加速度层面弥补关节误差。所设计的NTDNN模型参考多项式时变噪声的特点,增加两组动态变量消除多项式噪声的干扰,在RIDNN模型的基础上进一步提升了噪声抑制能力。随后,本文分析讨论了NTDNN模型在噪声环境中的稳定性和收敛性,并通过对比,展示了基于NTDNN模型求解的CMG方案在处理噪声方面的优越性。最后,在BCW方案和CMG方案的基础上,本文增加了末端执行器的方向保持和接触力控制,构建了基于位置-力控的周期运动规划（motion-force-based periodic motion planning,MFPMP）方案。为求解该方案,本文进一步设计了基于模糊参数的动态神经网络（fuzzy-parameter-based dynamic neural network,FPDNN）模型。通过设置自适应的收敛系数,以增加FPDNN模型对任务的适应性。随后,参照NTDNN模型的设计过程,增加了一系列的系统状态变量,使其具备多项式噪声抑制的特点。最后,一组在有/无噪声环境下的仿真比较证明了由FPDNN模型求解的MFPMP方案的优越性。

关键词：冗余机器人周期运动动态神经网络鲁棒性姿态控制