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拟人机械臂关节等效的运动学映射算法

计算机工程与应用 2023年第20期59卷 318-325页

作者：李斯雨闵华松王琪武汉科技大学机器人与智能系统研究院武汉430080

为了更好地促进机器人对人体动作的实时精准模仿,以人臂运动特性为基础,针对拟人机械臂提出了一种基于等效关节的运动学映射算法。该方法根据人臂关节运动特点,将拟人机械臂关节等效为人臂关节,建立人臂到机械臂的转换模型。并由转换模... 详细信息

为了更好地促进机器人对人体动作的实时精准模仿,以人臂运动特性为基础,针对拟人机械臂提出了一种基于等效关节的运动学映射算法。该方法根据人臂关节运动特点,将拟人机械臂关节等效为人臂关节,建立人臂到机械臂的转换模型。并由转换模型与人臂特征函数确定映射函数,解决了人臂关节与拟人机械臂关节之间旋转轴线差异问题。针对拟人机械臂逆运动学复杂问题,提出一种新的逆运动学求解方法。该方法利用等效关节为球关节特点,将拟人机械臂逆运动学问题分解成三个问题,分别求解各关节角。仿真和实际实验结果表明,所提出的映射方法能够使机器人平滑且准确地复现人臂动作,拥有较高末端精度与完美的位形相似度。并与基于关节空间的映射算法和任务空间的映射方法进行了比较。

关键词：机器人模仿运动学映射运动相似性拟人机械臂

协作机器人遥操作运动学映射与导纳控制策略研究

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机械设计与制造 2020年第3期 258-260,264页

作者：李铁军董跃巍杨冬河北工业大学机械工程学院天津300130

为了提高主从异构型遥操作系统的安全性,提出了一种混合控制方法。首先,对机器人与力反馈设备间的运动学映射方法进行研究以实现主从异构型机器人的运动控制。其次,为了提高机器人与环境交互的安全性和稳定性,采用导纳控制实现对机器人... 详细信息

为了提高主从异构型遥操作系统的安全性,提出了一种混合控制方法。首先,对机器人与力反馈设备间的运动学映射方法进行研究以实现主从异构型机器人的运动控制。其次,为了提高机器人与环境交互的安全性和稳定性,采用导纳控制实现对机器人末端接触力的控制。同时,采用角色分配的方法在线调整运动映射和导纳控制的角色因子,实现两种控制方式的融合。实验结果表明,与采用力反馈的位置控制相比,该方法在操作效率和安全性上具有更高的性能。

关键词：遥操作主从控制运动学映射导纳控制角色分配

外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究

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机器人 2020年第6期42卷 651-660页

作者：李家霖杨洋杨铁赵亮于鹏中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 东北大学信息科学与工程学院辽宁沈阳110819

为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务,开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,并通过异构映射算法,实现对6自由度协作机械臂的遥操作.首先,基于人体仿生结构,设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手(臂部7自由度和手... 详细信息

为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务,开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,并通过异构映射算法,实现对6自由度协作机械臂的遥操作.首先,基于人体仿生结构,设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手(臂部7自由度和手部1自由度);其次,通过改进的D-H(Denavit-Hartenberg)方法建立遥操作系统的运动学模型,基于Matlab的机器人工具箱进行了工作空间仿真,并设计主从异构映射算法;最后,实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性,以及工作空间异构映射算法的可行性.实验表明,外骨骼主手能够控制从端机械手臂,且保证末端位置和姿态一致,可在大范围工作空间内复现人体上肢精细运动,主从跟随误差达2 m m,工作空间类似于直径1.08 m的半球形.因此,可穿戴式的外骨骼主手使操作者能更加直观地参与到遥操作系统当中,辅助操作者更加高效地完成精细复杂任务.

关键词：遥操作外骨骼机器人学运动学映射主从控制

三关节位姿约束单驱动非圆齿轮五杆手指机构研究

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农业机械学报 2022年第5期53卷 430-437页

作者：叶军陈建能喻陈楠沈姗姗薛明瑞叶志超浙江工业职业技术学院机电工程学院绍兴312000 浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018

为了克服传统多杆手指机构的不足并且满足更多仿生手指的应用要求,本文提出一种基于三关节位姿约束的单驱动非圆齿轮五杆手指机构设计方法。根据手指实际尺寸以及运动位姿,建立n位姿点约束条件,采用运动学映射理论以及矩阵奇异值分解法... 详细信息

为了克服传统多杆手指机构的不足并且满足更多仿生手指的应用要求,本文提出一种基于三关节位姿约束的单驱动非圆齿轮五杆手指机构设计方法。根据手指实际尺寸以及运动位姿,建立n位姿点约束条件,采用运动学映射理论以及矩阵奇异值分解法求解了满足给定约束条件的铰链点曲线,进一步根据两个驱动输入杆转角关系设计满足位姿点要求的非圆齿轮副,并推导单驱动非圆齿轮五杆手指机构的IO方程。在此基础上,以三关节的5位姿约束条件为例,并根据杆长、误差、铰链点选取范围、非圆齿轮传动等其他约束条件,确立铰链点A和B的可行曲线解域,并最终得到满足全部约束条件的单驱动非圆齿轮五杆手指机构参数,设计了手指机构样机并进行相关试验。该试验样机表明本文提出的设计方法是正确和有效的。

关键词：非圆齿轮五杆手指机构 IO方程运动学映射

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一种具有可拓展性解空间的平面杆组机构运动综合方法

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中国机械工程 2015年第19期26卷 2590-2594,2600页

作者：朱立红张良赵韩赵萍合肥工业大学合肥230009

基于克利福德代数中的运动学映射理论,提出了一种新的具有可拓展性解空间的平面杆组机构运动综合方法。针对无精确解或数学意义上的最优近似解不能满足实际需求的情况,该方法可以根据需要来扩大拟合误差容许范围,进一步拓展解空间,从而... 详细信息

基于克利福德代数中的运动学映射理论,提出了一种新的具有可拓展性解空间的平面杆组机构运动综合方法。针对无精确解或数学意义上的最优近似解不能满足实际需求的情况,该方法可以根据需要来扩大拟合误差容许范围,进一步拓展解空间,从而获得更多近似解。之后,从中选取最优的二杆组来组成四杆机构或并联机构,实现给定的运动位姿。

关键词：机构运动综合可拓展误差空间平面杆组运动学映射

主从异构型液压机械臂遥操作的相似性映射方法

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液压与气动 2023年第12期47卷 41-48页

作者：钱涤非程敏张付张军辉徐兵浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044

现有的重载液压机械臂自由度多,执行的任务繁复多样,利用外骨骼来对其进行遥操作能够提高机械臂控制的精准性和直观性,有着不可替代的优势。根据人上肢穿戴性需要进行设计会导致外骨骼与机械臂之间的结构异构,从而出现主从运动学不匹配... 详细信息

现有的重载液压机械臂自由度多,执行的任务繁复多样,利用外骨骼来对其进行遥操作能够提高机械臂控制的精准性和直观性,有着不可替代的优势。根据人上肢穿戴性需要进行设计会导致外骨骼与机械臂之间的结构异构,从而出现主从运动学不匹配的情况。基于四自由度外骨骼和七自由度冗余液压机械臂之间的主从控制,提出了一种适用于主从异构遥操作的笛卡尔-关节空间相似性映射方法,解决了二者自由度数量、自由度配置、可达工作空间等差异对主从控制一致性带来的问题。考虑控制需求和液压驱动特性,定义了主从异构遥操作下的相似性映射条件和关节运动约束条件,提出使用加权增广变系数雅克比矩阵的方法来满足操作者与从端机械臂之间额外映射关系,并给出了其中关节速度限制系数的选取条件。搭建了系统的机-液耦合仿真模型进行了验证。结果表明:提出的方法可以提高液压机械臂主从异构遥操作的灵活性和直观性,进而令液压机械臂更好地根据主端指令完成复杂的空间任务。

关键词：运动学映射冗余液压机械臂遥操作控制

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外骨骼式遥操作主手设计及主从异构控制方法研究

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外骨骼式遥操作主手设计及主从异构控制方法研究

作者：李家霖东北大学

学位级别：硕士

随着现代智能化技术不断发展,机器人在众多领域的应用变得越来越重要,目前简单、重复的工作已经逐渐被机器人所取代,但是较为复杂的零部件组装、测试、维修、实验等精细操作受限于当前机器人技术,依然要依赖人工进行,若想在核辐射、空... 详细信息

随着现代智能化技术不断发展,机器人在众多领域的应用变得越来越重要,目前简单、重复的工作已经逐渐被机器人所取代,但是较为复杂的零部件组装、测试、维修、实验等精细操作受限于当前机器人技术,依然要依赖人工进行,若想在核辐射、空间、深海等危险、远距离及非结构环境下利用机器人实现这些复杂操作,就需要将人类的高级决策及灵活操作能力与机器人进行有机结合,因此发展人在回路的精细遥操作控制技术具有重要的应用价值和实际意义。为了更好促进机器人适应复杂的精细遥操作任务,本文开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,通过异构映射算法研究,实现其在无人应急救援机器人系统中的应用。首先,在调研的基础上,基于人体仿生结构,设计了主手参数,搭建了可穿戴式8自由度外骨骼主手(臂部7自由度,手部1自由度)作为遥操作主端,本文设计的外骨骼主手可适应人体上肢主要工作空间,穿戴方便。其次,搭建异构的遥操作系统,从端机械臂选用新松的六轴协作机械臂,从端机械手选用Robotiq的二指夹持器,并用Matlab软件的Robotics Toolbox对主从机械臂进行了运动学建模。再次,对系统的主从机械臂工作空间进行了分析,设计了基于工作空间的异构遥操作映射算法,并应用Simulink对CLIK(闭环逆运动学算法)进行了仿真。最后,实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性,以及工作空间异构映射算法的可行性。实验表明,外骨骼主手能够控制从端机械手臂,且保证末端位置和姿态一致,可在操作者上肢工作空间内复现人体上肢精细运动,主从跟随误差2mm。本文所设计的可穿戴式外骨骼主手使操作人员更加直观地参与到遥操作系统当中,改善其操纵感,辅助操作者更加高效地完成精细复杂遥操作任务。

关键词：遥操作外骨骼机器人学运动学映射主从控制

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一种六自由度力反馈装置的设计与研究

一种六自由度力反馈装置的设计与研究

作者：王琰南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着虚拟现实技术的发展,力反馈主手的重要地位也日益凸显。作为交互式探索系统中不可或缺的组成部分,力反馈主手可以实现人与虚拟环境之间的运动和力的信息传递,再现人手与环境之间的接触情况,增强了虚拟现实的临场感。本文针对现有力... 详细信息

随着虚拟现实技术的发展,力反馈主手的重要地位也日益凸显。作为交互式探索系统中不可或缺的组成部分,力反馈主手可以实现人与虚拟环境之间的运动和力的信息传递,再现人手与环境之间的接触情况,增强了虚拟现实的临场感。本文针对现有力反馈主手存在的结构刚度较低、输出能力有限以及应用单一化等问题,面向通用操作对象,设计了一种具有较大输出能力的六自由度力反馈主手。根据力反馈设备对刚度、反向驱动性及输出能力等性能的要求,对现有的两种并联机构进行改进,并组合成混联机构作为主手的机械本体。对该机构的正、逆向运动学进行了分析。根据分析结果,为了在保证力传递性能的同时使结构保持紧凑,提出了灵巧度与体积指标相结合评价指标,并以此为目标对机构的尺寸参数进行了优化;考虑到定位并联机构的运动部分质量较大,需要对其动力学进行分析。采用Newton-Euler方法建立了递推形式的动力学模型,并分别在Simulink环境和ADAMS环境下进行了仿真验证,结果表明建立的数学模型基本正确。根据所提出的设计指标,在运动学分析的基础上对力反馈主手的机械机构进行了详细设计。对转动副接头结构进行了优化,扩大了转动副的运动范围;采用蒙特卡洛方法对反馈力与主手位置的关系进行了分析,指出了反馈力最大的两个对角位置;根据计算结果进行电机、驱动器以及运动控制卡等元器件的选型,最终装配完成力反馈主手的硬件主体。针对力反馈主手操作过程中存在反向驱动阻力的问题,从动力学补偿与摩擦力补偿方面进行了研究。采用时滞估计方法,由理想动力学模型计算得到动力学补偿力。然后对移动关节与转动关节的摩擦力进行了研究,采用静摩擦+粘滞摩擦+库伦摩擦的形式对摩擦力进行建模,并通过实验的方法分别对转动关节与移动关节摩擦模型中的关键参数进行了辨识,采用前馈的方式,将动力学模型与摩擦模型加入控制器中以补偿反向驱动过程中的阻力。实验结果表明采用反向驱动补偿控制后反向驱动力降低了70%以上。对力反馈过程中两个阶段分别进行控制系统的设计:在遥操作阶段采用反向驱动补偿达到柔顺控制的效果。而在力反馈阶段则采用基于位置的阻抗控制方法对电机的输出力进行控制,达到模拟虚拟环境中的接触的目的。由于主从操作中通常是异构映射,因此对力反馈主手的运动学映射进行了研究,提出了一种基于位置与速度的变比例映射方法。最后通过实验表明,在遥操作阶段人手能够自由地操作力反馈主手;在力反馈阶段,主手能够根据给定的阻抗参数和运动状态输出相应的反馈力,准确地模拟出人与虚拟环境之间的接触情况。

关键词：力反馈主手动力学反向驱动补偿摩擦辨识运动学映射阻抗控制