一种基于优化算法的机械手运动学逆解

本文给出一种基于优化算法的机械手运动学逆解的方法 ,这种优化方法基于信赖域方法 ,,具有超线性的收敛速率 .这种方法不仅具有牛顿方法的快速收敛性 ,又具有理想的总体收敛性 .这种方法较 CCD& BFS有明显的优点 ,可以在一般的 PC机上实现实时求解 .在 P II40 0上仅需不到 10 ms就可以求得最优解 .

自治水下机器人-机械手系统运动规划与协调控制研究

过去的五十年，自治水下机器人技术得到迅速发展，在海洋资源调查、海洋科学考察和海洋地质勘探等领域有着广泛的应用，为促进相关领域的发展做出了显著贡献。随着海洋开发和利用的活动增多和水下机器人总体技术水平的提高，利用自治水下机器人进行海洋作业逐渐受到人们的重视。作业型自治水下机器人是为了满足当前海洋领域的需求而提出的一种大深度、大范围潜航并能够自主完成水下科学考察和作业的水下机器人系统，是目前水下机器人的一个发展趋势。自治水下机器人与作业机械手构成浮游基座的多连接体系统，具有运动学冗余、动力学高度耦合等特点，高效安全的运动规划与高精度的协调控制技术是保证其自主作业的一个核心技术。 本文结合 “十五”期间国家863计划“深海作业型自治水下机器人总体方案设计”和中国科学院沈阳自动化研究所知识创新项目“新型ARV关键技术研究”的研究内容，围绕水下机器人自主作业技术，深入研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划与协调控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与轨迹跟踪，为深海资源开发的特定需求发展具有自主作业能力的水下机器人技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与运动实现问题；研究基于系统响应特性的机械手控制与载体控制问题；研究基于扰动模型以及不基于扰动模型的载体抗扰动控制问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题。本论文研究内容如下： (1)根据自治水下机器人载体特点，研究了适合于载体搭载的水下电动机械手设计与控制问题。设计了谐波传动的紧凑型三功能水下电动机械手系统，包括结构设计、控制系统搭建和控制器设计，根据机械手摆动关节的幅频响应特性，设计了关节角速率PI校正控制器和双环位置控制器，并针对常参数位置控制的电压和角速率突变，研究了基于界估计的机械手位置自适应控制应用问题；实验证明了系统的可靠性和控制算法的有效性，为水下电动机械手的设计开发提供了理论支持，为论文后续研究工作奠定了基础。 (2)研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划问题。建立了系统运动学方程和系统仿真模型；针对系统运动学冗余、载体流线外形、自身携带能源等特点，结合梯度投影法和加权伪逆矩阵法，以机械手末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、有无海流下的系统能耗优化等运动规划进行了研究，仿真证明了运动规划算法的有效性。 (3)研究了一自治水下机器人-机械手系统的基本控制问题。利用沈阳自动化研究所的ARV载体，结合本文设计的三功能水下电动机械手，搭建了水下机器人-机械手实验系统；对载体分系统自身的响应特性以及对机械手扰动的响应特性进行了测试和分析；设计了基于输入补偿和机械手扰动补偿的复合校正控制算法，在有限的传感器条件下，通过测量变换获得了两种补偿控制算法中的近似补偿项，水池实验证明了算法的有效性。 (4)针对机械手扰动和载体推进器推力模型的复杂性和不精确性，在基于载体输入补偿控制的基础上，设计了神经网络自适应控制算法，通过自学习的方式用神经网络直接逼近载体控制电压与机械手扰动状态量之间的非线性关系，在机械手不停扰动下逐渐提高载体的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和神经网络逼近误差条件下水下机器人-机械手系统载体控制器的闭环稳定性；通过水池实验验证了控制系统的有效性，为水下机器人-机械手系统载体分系统的控制提供了一种新思路。 (5)结合系统控制，通过水池实验分析了离线规划与在线规划下的机械手末端轨迹跟踪特点，针对几种典型情况，提出了自治水下机器人-机械手系统自主作业的几种控制规划策略，通过机械手末端跟踪典型轨迹的水池实验，证明了所提策略的有效性，实现了系统规划、控制共同作用下的机械手末端轨迹跟踪，在配置环境感知传感器的情况下，能够实现一定程度的自主作业。

四功能水下电动机械手设计与控制研究

随着人类对海洋开发和利用的不断增加，自治水下机器人（AUV）作为一种能够完成水下作业任务的重要工具，对其的研究受到国内外研究机构的广泛重视。特别是近十年来，由于水下机器人总体技术水平的提高，利用自治水下机器人进行海洋作业逐渐受到人们的重视。作业型自治水下机器人是为了满足当前海洋领域的需求而提出的一种大深度、大范围潜航并能够自主完成水下科学考察和作业的水下机器人系统，是目前水下机器人的一个发展趋势。 本论文以国家“十一五”863课题“自治水下机器人－机械手系统协调控制关键技术”为背景，针对水下电动机械手的关键技术进行了研究，论文的主要工作有： (1)根据自治水下机器人载体特点，自主设计出适合于载体搭载的四功能水下电动机械手。完成了机械手各关节模块的结构设计，驱动方式和传动方式的选择以及密封件和零件材料的选择。该机械手实现了紧凑与轻量化和关节模块化设计，具有可充油和内部走线功能。 (2)采用Denavit-Hartenberg方法设定了机械手的杆件坐标系，通过相邻连杆齐次变换矩阵建立了机械手运动学模型，推导出机械手的运动学方程；通过牛顿－欧拉方程算法推导出机械手动力学方程。借助单摆动杆水动力方程，推导出本论文机械手的水动力力矩，建立了考虑水动力力矩的机械手动力学方程。 (3)研究了基于PD控制的N关节机器人轨迹跟踪算法的应用问题，仿真实现了该控制算法在本论文机械手位置跟踪控制中的应用。 (4)以搭建的UVMS为对象，推导出其运动学模型，建立了系统仿真模型。针对系统运动学冗余的特点，以机械手末端位置控制为前提，结合加权伪逆矩阵法，基于速度运动学对系统关节限位运动规划即系统逆运动学求解问题进行了研究，仿真证明了运动规划算法的有效性。 关键词：水下机器人；水下电动机械手；自治水下机器人－机械手系统；动力学；运动规划

监控式水下机械手及相关技术的研究

水下机械手作为水下机器人通用作业工具得到广泛地应用，目前水下机械手的主要操作方式为主从方式。虽然主从方式具有操作直观，灵活的特点，但难于完成需要精确定位，轨迹控制的水下作用，如海洋石油钻井平台导管架的检查作用。为了扩展水下机器人的作业能力，提高水下作业智能化程度，沈阳自动化所承担国家863课题“水下虚拟遥操作与监控机械手系统”关键技术的研究工作。作者参加了此课题的研究工作，以Schilling水下机械手为研究对象，深入研究机械手的作用功能，对机械手的逆运动学，焊缝空间轨迹规划作了深入的研究，形成本文阐述的主要内容。由于Schilling水下机械手各关节之间的连接参数中存在多个偏距，其运动学逆解不能简单由解析方式给出。机械手进行控制与轨迹规划等操作必须找到一种快速求解的方法。本篇文章得出一种基于信赖域法的机械手运动学逆解算法。由于该算法具有收敛速度快的特点，故可以被应用于在线求解机械手运动学逆解；由于没有直接求解二阶导数，故不存在奇异解的问题。经理论分析和实验证明该方法在解决水下监控机械手在线跟踪水下结构物空间轨迹的技术问题具有较好的效果。作为课题的实际应用背景的导管架焊缝曲面为一复杂的空间曲面。为了实现课题的研究目标，本课题不仅要求解焊缝的轨迹，而且要给出其法线方向。对于这样一个问题，用空间解析几何和微分几何方法是很难求解的，本文给出了一种基于B样条参数曲面及曲面求交的方法，具有速度快，通用性强的优点。

六功能水下机械手的变结构控制方法和应用研究

随着各国对海洋资源开发利用的加剧，水下机械手作为作业型水下机器人首选配置的一种通用作业工具，应用范围不断扩展，而现有的水下机械手采用主从控制方式，在水下复杂的作业环境下精度及效率不高，限制了水下机械手的使用。引入监控模式的机械手系统是水下机械手发展的一个主流方向。本课题就是以实现机械手的监控模式为目标，针对在实现监控式机械手过程中遇到的两个鱼待解决的难题：机械手的实时运动学逆解和复杂条件下满足高精度轨迹跟踪要求的控制方法，以六功能水下机械手为对象展开并完成课题工作。本文的主要研究成果分为以下三个部分：针对此机械手运动学逆解不能简单由解析方式给出的特点，本文提出运用基于约束最优化的变尺度算法。运用惩罚函数和二次插值选取迭代步长，保证了搜索的有效性；没有直接求解二阶导数，不存在奇异解。该算法是超线性收敛。对实例的求解证明了该算法的快速性和在解决此水下机械手在线轨迹规划时的有效。针对现有的水下机械手关节位置控制中采用PID控制算法而存在的一些缺点，本文以电液位置伺服的肩转关节为例，进行了滑模控制方法的研究。设计了单关节的滑模控制器，并把简化后的滑模控制器运用到实际的控制系统中，仿真和实验结果表明在复杂条件下滑模控制与PID控制相比有高精度和快速的跟踪性能。针对滑模控制的“颤振”现象，引入模糊控制的思想，设计了单关节的模糊滑模控制器，仿真和最终的实验证明了运用模糊滑模控制能有效消弱“颤振”，系统有良好的跟踪性能。针对原有的控制系统不适合于监控方式的机械手控制的特点，重新设计了水下机械手的水下控制器，组建了基于RS－485通讯，以PC机为上位机系统和89C52为下位机系统的机械手两级控制系统，并在这个人机界面友好、工作稳定的系统上完成了本文所有的实验。

主从机械手遥控操作摄像机自动跟踪系统

介绍了一种摄像机云台自动跟踪控制系统 ,该系统用来实现遥控机械手主从操作时摄像机自动跟踪从手末端夹钳的运动以辅助操作员进行遥控操作 ;介绍了系统的组成、工作原理及控制算法 ;实验结果验证了算法的正确性和控制系统的可行性。

机械手空间圆弧运动的一种有效轨迹规划方法

本文提出了机器人末端过空间三点作空间圆弧运动的一种有效轨迹规划方法，并成功地应用于我们开发的电子装配机器人中．理论分析与实验分析的结果一致

柔性机械臂基于观测的逆动力学轨迹跟踪控制

本文探讨了稳定逆动力学与基于观测的状态误差反馈镇定器集成实现柔性机械臂末端轨迹跟踪的控制策略．基于观测器可以充分利用由稳定逆动力学生成的理想状态轨迹信息，实现全状态误差的反馈镇定以消除末端轨迹跟踪的扰动误差。

一种三自由度并联机器人机构运动学计算

出一种新型的三杆三自由度并联机器人机构，并推导了其运动学正反计算式，给出运动空间和根据作业空间设计结构参数的计算式。

并联机器人机床运动学正、逆解

基于一般ＳＴＥＷＡＲＴ机构研制的并联机器人机床是新一代智能化金属切削加工机床．然而，机床的运动学位置正、逆解呈强非线性，求解困难．出于机床精度的需要，本研究的模型样机在结构上采用了滚珠丝杠传动，因此又带来了关节运动耦合，导致机床运动学位置正、逆解求解更加复杂．利用运动学等效的原则，引入整机等效串联机构及分支等效串联机构，以等效广义坐标为中间变量建立机床运动学正、逆解求解迭代算法．仿真与控制实验表明，该算法具有收索速度快便于实际应用等特点。

机械臂惯性矩阵的并行计算

本文在给出一种非递推形式的逆动力学计算公式的基础上，针对机械臂惯性矩阵的计算提出了一种面向Ｏ（ｎ）个处理器的并行算法，并以ＰＵＭＡ５６０机器人的前３个臂为例进行了计算效率分析

基于分层控制的移动机器人最优运动规划

研究移动机器人在带有多移动障碍物的动态环境中的运动规划问题．基于分层最优控制理论，提出了一种新的运动规划方法来解决移动机器人的导航与避障问题．仿真实例证明了该方法的有效性。

基于运动耦合结构的并联机器人的运动学正逆解

根据运动学等效的原则，在并联机器人中引入等效串联机器人及分支等效串联机器人，以等效广义坐标为中间变量建立并联机器人运动学正道解求解算法。该算法能有效处理结构带来的运动耦合，并且规划的软件具有自动生成迭代初始点、避免多解性以及便于实际应用等特点，从而为并联机器人的结构设计与创新提供了理论支持。

仿象鼻并串联机构回避障碍“钻洞”的研究

研究了一种高冗余自由度并串联机构回避障碍的算法问题，并实现了运动仿真，核算法应用了优先顺位的理论，利用旋转张量法，对杆长随时间变化的高冗余自由度操作臂实现了变臂长的避障规划，并在ＣＡＤ工作站上完成了回避障碍钻洞的运动仿真，获得了满意的结果。国家自然科学基金

基于运动速度的机器人学习控制

为了使机器人跟踪给定的期望轨线，提出了一种新的基于机器人运动重复性的学习控制法．在这种方法中机器人通过重复试验得到期望运动，这种控制法的优点：一是对于在期望运动附近非线性机器人动力学的近似表达式的线性时变机械系统产生期望运动的输入力矩可不由估计机器人动力学的物理参数形成；二是可以适当的选择位置、速度和加速度反馈增益矩阵，从而加快误差收敛速度；三是加入了加速度反馈，减少了速度反馈，减少了重复试验的次数．这是因为在每次试验的初始时刻不存在位置和速度误差，但存在加速度误差．另外，这种控制法的有效性通过ＰＵＭＡ５６２机器人的前三个关节的计算机仿真结果得到验证。