线驱动柔性机械臂的运动学分析

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绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究

绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究
朱靖;齐飞;佘世刚;张恒;裴海珊
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2023(40)2
【摘要】针对目前组装式绳驱动柔性机器人存在的装配复杂、控制精度差与刚度低等问题,提出了一种用于狭小空间探测的超冗余绳驱动柔性机器人。

首先,设计了一种通过卯榫连接的绳驱动柔性机械臂,基于常曲率假设,利用MATLAB软件建立了该机器臂的运动学模型,并对其工作空间与绳长变化量进行了仿真分析;然后,分别设计了基于上位机软件界面和增量映射模型的主从控制方法;最后,搭建了单关节的柔性检测机器人系统样机平台,并通过旋转弯曲与负载弯曲试验,对所建模型和控制策略进行了验证。

研究结果表明:新构型柔性机器臂可以解决柔性机器人刚度较低的问题,其运动特性明显优于芯柱型柔性机器人,其负载能力达到250 g时,末端位置的控制误差小于8%,满足柔性机器人的控制需求。

【总页数】9页(P266-274)
【作者】朱靖;齐飞;佘世刚;张恒;裴海珊
【作者单位】常州大学机械与轨道交通学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;TP242
【相关文献】
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2.柔性驱动立筒仓清理机器人转动控制系统建模及简化
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5.足底驱动型下肢康复机器人的运动学建模与轨迹跟踪控制研究
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机械臂运动学与路径规划研究

机械臂运动学与路径规划研究一、本文概述随着工业自动化的快速发展，机械臂作为重要的执行机构，在生产线上的应用越来越广泛。

机械臂的运动学和路径规划研究对于提高机械臂的工作效率、精度和稳定性具有重要意义。

本文旨在深入探讨机械臂的运动学原理，并在此基础上研究路径规划方法，以实现机械臂在复杂环境中的高效、准确操作。

文章首先将对机械臂的运动学基础进行介绍，包括机械臂的正向运动学和逆向运动学。

正向运动学主要研究已知机械臂关节参数时，末端执行器的位姿与关节角度之间的关系而逆向运动学则是已知末端执行器的位姿，求解出对应的关节角度。

在理解运动学原理的基础上，本文将进一步探讨机械臂的路径规划问题。

路径规划是指根据任务要求，为机械臂规划出一条从起始状态到目标状态的合理路径。

本文将介绍几种常用的路径规划方法，如基于关节空间的路径规划、基于笛卡尔空间的路径规划和基于优化算法的路径规划等。

同时，针对复杂环境中的路径规划问题，本文还将研究如何结合环境感知和决策技术，实现机械臂的智能路径规划。

通过本文的研究，旨在为机械臂的运动学和路径规划提供一套系统的理论框架和实践方法，为工业自动化领域的发展提供有益参考。

二、机械臂运动学基础机械臂运动学是研究机械臂运动规律的科学，主要关注机械臂的位置、速度和加速度等运动参数，而不涉及产生这些运动的力和力矩。

运动学分为正运动学和逆运动学两部分。

正运动学是根据已知的关节变量（如关节角度）来计算机械臂末端执行器的位置和姿态。

而逆运动学则是根据期望的末端执行器位置和姿态来求解所需的关节变量。

机械臂的运动可以通过多种坐标系来描述，其中最常见的是笛卡尔坐标系和关节坐标系。

笛卡尔坐标系以机械臂末端执行器的位置和方向为参数，直观易懂，但计算复杂。

关节坐标系则以每个关节的角度为参数，计算简单，但直观性较差。

对于机械臂的路径规划，运动学提供了基础。

路径规划是指确定机械臂从起始状态到目标状态的运动轨迹。

路径规划不仅要考虑运动的连续性和平滑性，还要考虑运动的可达性和避障性。

柔性机械臂的运动规划与轨迹跟踪

柔性机械臂的运动规划与轨迹跟踪柔性机械臂是一种具有高度自适应性和柔韧性的机器人手臂。

与传统刚性机械臂相比，柔性机械臂具有更大的工作半径和更广泛的应用领域。

然而，由于其柔性特性，柔性机械臂在运动规划和轨迹跟踪方面面临着更大的挑战。

运动规划是指确定机械臂在给定环境中的合理运动路径的过程。

对于柔性机械臂而言，由于其可变形的特性，运动规划更加困难。

首先，柔性机械臂的形态可以通过调整关节角度和弯曲度来变化，因此，需要在运动规划过程中考虑到其柔性特性。

其次，由于柔性机械臂的可变形性，传统的刚性机械臂的运动规划算法无法直接应用于柔性机械臂。

因此，研究人员提出了许多针对柔性机械臂的新算法，例如使用有限元分析来建模和仿真柔性机械臂的运动规划过程。

柔性机械臂的轨迹跟踪是指在给定的运动轨迹下，机械臂能够准确地跟随该轨迹的能力。

由于柔性机械臂的挠曲和摆动，其轨迹跟踪更加困难。

为了解决这个问题，研究人员提出了许多改进算法，如自适应控制算法、预测控制算法和模糊控制算法。

这些算法通过感知和调整机械臂的运动状态，使得机械臂能够更好地跟踪给定的轨迹。

除了运动规划和轨迹跟踪，柔性机械臂还面临其他挑战。

首先，柔性机械臂的模型复杂度很高，需要建立准确的动力学和控制模型。

其次，柔性机械臂的运动过程中容易受到外界干扰，如风力和地面摩擦力。

因此，在运动规划和轨迹跟踪中，需要考虑到这些干扰因素，以保证机械臂的稳定性和准确性。

为了应对这些挑战，研究人员提出了许多解决方案。

例如，利用传感器技术对柔性机械臂的形态和运动状态进行实时监测和反馈控制。

此外，使用先进的控制算法和优化方法来优化运动规划和轨迹跟踪过程。

这些解决方案的实施将提高柔性机械臂的准确性、可靠性和适应性。

总结起来，柔性机械臂的运动规划和轨迹跟踪是一项具有挑战性的任务。

通过不断研究和创新，我们可以克服这些挑战，提高柔性机械臂的性能和应用范围。

未来的发展将进一步推动柔性机械臂技术在工业自动化、医疗器械和救援行业中的应用。

六自由度柔性机械臂的运动学分析毕业设计论文

六自由度柔性机械臂的运动学分析毕业设计论文简介本毕业设计论文旨在对六自由度柔性机械臂的运动学进行分析。

柔性机械臂在工业自动化和机器人领域具有广泛的应用前景。

通过研究机械臂的运动学，可以深入了解其运动特性和参数，为进一步的控制和优化提供基础。

研究目标1. 分析六自由度柔性机械臂的关节运动学以及末端执行器的位置和姿态。

2. 研究不同控制参数对机械臂运动学的影响。

3. 探究柔性杆件对机械臂运动学的影响。

4. 比较刚性机械臂和柔性机械臂的运动学性能。

方法1. 建立六自由度柔性机械臂的数学模型。

2. 使用逆运动学方法求解关节角度。

3. 应用运动学方程计算末端执行器的位置和姿态。

4. 进行仿真实验，验证模型和算法的准确性和可行性。

研究成果1. 描述六自由度柔性机械臂的关节运动学和末端执行器的运动学。

2. 对机械臂运动特性进行分析和讨论。

3. 提出柔性杆件对机械臂运动学性能的影响。

4. 比较刚性机械臂和柔性机械臂的运动学性能差异。

结论本毕业设计论文对六自由度柔性机械臂的运动学进行了详细分析和研究，揭示了机械臂运动特性和柔性杆件对其性能的影响。

研究结果对于机械臂的控制和优化具有重要意义，对进一步发展柔性机械臂技术具有一定的指导作用。

参考文献[1] Author 1, Author 2. (Year). Title of Paper 1. Journal Name, Volume(Issue), page range.[2] Author 3, Author 4. (Year). Title of Paper 2. Conference Name, page range.。

机械臂的运动学与逆运动学分析

机械臂的运动学与逆运动学分析机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的自动化机器人。

它广泛应用于工业领域，用于完成各种复杂的操作任务。

机械臂的运动控制是实现其功能的关键，其中运动学和逆运动学分析是研究机械臂运动的基础。

一、机械臂的运动学分析运动学分析主要关注机械臂的位置、速度和加速度等运动参数的计算。

机械臂主要由关节连接的刚性杆件组成，每个关节可以沿特定方向进行旋转或平移运动。

在机械臂运动学中，我们关注的是机械臂末端执行器的位置和姿态。

1. 正运动学分析正运动学分析指的是根据机械臂各关节的运动参数，计算机械臂末端执行器的位置和姿态。

通常，我们采用坐标变换矩阵的方法来进行计算。

通过将各个关节的运动连续相乘，可以得到机械臂末端执行器相对于机械臂基座标系的位姿矩阵。

以一个3自由度的机械臂为例，设第一关节绕Z轴旋转角度为θ1，第二关节绕Y轴旋转角度为θ2，第三关节绕X轴旋转角度为θ3。

则机械臂末端执行器相对于基座标系的位姿矩阵可以表示为：[cos(θ2+θ3) -sin(θ2+θ3) 0 a1*cos(θ1)+a2*cos(θ1+θ2)+a3*cos(θ1+θ2+θ3)][sin(θ2+θ3) cos(θ2+θ3) 0 a1*sin(θ1)+a2*sin(θ1+θ2)+a3*sin(θ1+θ2+θ3)][0 0 1 d1+d2+d3][0 0 0 1]其中，a1、a2、a3和d1、d2、d3分别为机械臂的长度和位移参数。

通过这个矩阵，我们可以得到机械臂末端执行器的位置和姿态。

2. 速度和加速度分析除了机械臂末端执行器的位置和姿态，机械臂的速度和加速度也是非常重要的运动参数。

通过对机械臂运动学模型的导数运算，我们可以得到机械臂的速度和加速度表达式。

机械臂的速度可以表示为：v = J(q) * q_dot其中，v为机械臂末端执行器的速度向量，J(q)为机械臂的雅可比矩阵，q为机械臂各关节的角度向量，q_dot为各关节的角速度向量。

机械臂柔顺运动控制技术研究

机械臂柔顺运动控制技术研究机械臂柔顺运动控制技术研究：走向精确和高效的未来近年来，机械臂的应用范围越来越广泛，从工业生产线到医疗手术室再到家庭助手，机械臂都扮演着重要的角色。

然而，传统的机械臂在某些应用场景下存在一定的局限性，例如在与人类合作或对复杂环境的适应性上。

为了克服这些问题，机械臂柔顺运动控制技术应运而生，其致力于提高机械臂的柔顺性、精确性和高效性。

本文将探讨该技术的研究进展和未来发展方向。

柔顺运动控制技术是指机械臂通过具有精确力传递和高灵活性的机械结构，实现类似于人类手臂的柔软运动。

这种运动可以应对复杂的环境要求，比如与人类进行合作或在狭小空间中操作。

在传统的机械臂中，刚性结构和刚性控制往往导致运动精度和灵活性的不足。

而柔顺运动控制技术通过引入弹性材料、柔性机械结构和感知反馈控制算法等手段，有效提高了运动表现。

首先，柔性机械结构是实现机械臂柔顺运动控制的核心之一。

传统机械臂的末端执行器通常由刚性材料制成，限制了运动灵活性和安全性。

而柔性材料的引入可以提供更自由的运动范围，同时降低了与环境或操作对象接触时的风险。

例如，研究人员已经成功开发了基于人工肌肉和弹性材料的机械臂，实现了精确、连续和逼真的运动。

这种柔性机械结构的研究对于提高机械臂在协作机器人、医疗手术等领域的应用潜力具有重要意义。

其次，柔顺运动控制技术需要配备高效的感知反馈系统，以提供准确的运动信息并对环境变化进行实时响应。

在复杂的应用场景中，机械臂需要不断地感知和分析周围环境的信息，以便根据需要调整运动轨迹和力量输出。

近年来，计算机视觉和力传感器等技术的快速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。

机械臂可以通过视觉系统检测周围物体的位置、形状和姿态，并通过力传感器感知外力作用下的变形情况。

这种感知反馈系统的引入使机械臂能够更好地适应环境需求和与人类进行交互。

从实际应用角度来看，机械臂柔顺运动控制技术在医疗、家庭助理和协作机器人等领域具有巨大的潜力。

柔性机器人的自主机械臂运动控制研究

柔性机器人的自主机械臂运动控制研究柔性机器人，作为一种崭新的机器人技术，越来越受到人们的关注和重视。

与传统刚性机器人相比，柔性机器人具有更大的自由度、更高的灵活性和更好的适应性。

然而，柔性机器人的自主机械臂运动控制一直是一个具有挑战性的问题。

本文将对柔性机器人的自主机械臂运动控制进行研究和探讨。

一、柔性机器人的特点与挑战柔性机器人与刚性机器人最大的区别在于其柔软的结构。

柔性材料的运用使得机器臂可以实现更复杂的运动，并且能够适应不同的工作环境和任务。

然而，柔性机器人的自主机械臂运动控制面临着一些挑战。

首先，柔性机器人的运动受到非线性和时变特性的影响，使得控制算法的设计复杂化。

其次，柔性材料本身具有一定的延展性和刚度变化，对控制算法的精度和稳定性提出了更高的要求。

因此，如何有效地实现柔性机器人的自主机械臂运动控制成为了一个亟待解决的问题。

二、柔性机器人自主机械臂运动控制的方法针对柔性机器人的自主机械臂运动控制问题，目前学术界和工业界都提出了一些解决方法。

下面将介绍几种常见的方法。

1. 建模与控制建模是柔性机器人运动控制的关键一步。

通过对柔性机器人进行动力学建模和力学建模，可以得到机器人的运动学和动力学特性，为后续的控制算法设计提供基础。

现有的柔性机器人建模方法包括有限元法、模态分析法等。

2. 轨迹规划与优化柔性机器人的轨迹规划与优化主要解决如何使机器人的末端执行器按照既定的轨迹完成任务。

常用的轨迹规划方法有基于模型预测控制的方法、基于优化算法的方法等。

这些方法可以通过对机器人动力学特性和约束条件的考虑，实现更加准确和高效的轨迹规划。

3. 自适应控制自适应控制是指机器人根据外界环境和输入变化自主调整控制策略的能力。

对于柔性机器人的自主机械臂运动控制来说，自适应控制可以提高机器人在不同工作环境下的适应性和鲁棒性。

常见的自适应控制方法包括模型参考自适应控制、模糊自适应控制等。

三、柔性机器人自主机械臂运动控制的应用前景柔性机器人的自主机械臂运动控制不仅对于工业制造领域有着广泛的应用前景，还在医疗、服务机器人等领域有着巨大的潜力。

基于绳索驱动的机械手腕结构设计与运动分析

机械手腕是连接机械上臂和末端执行器的关键部件,可通过手部夹持器姿态和空间位置的变化实现机械手腕的运动。

机械臂广泛应用于工业、农业、服务业、航空航天等领域[1-4]。

为满足复杂工况下机械臂运动灵活性和轻量化的要求,需要手腕机构具有多个自由度和较小的质量[5-7]。

然而,在设计中机械手腕的自由度越多,其机械结构与控制系统也会越复杂。

在机械手腕结构设计方面,并联机构具有刚度高、精度高、承载能力大等优点,在机械手腕结构设计中得到了广泛应用[8],如孙鹏[9]运用并联机构的构型特点提出了一种三自由度球面3-R R P并联机构的机械手腕;张续冲等[10]对R eachy机械手腕进行改进,保证了腕关节3个电机旋转轴线都正交,并以手腕舒适度和势能最小为目标进行了优化。

为保证腕关节的轻量化设计,驱动装置一般固定在远离腕关节的部位,如魏英伟[11]在i W A r m五自由度可穿戴机械臂的机构设计中,采用线驱动方案完成腕关节结构设计;王腾[12]进一步设计了一款新型的线驱动柔性微创手术机器人,腕关节采用了连续体的结构,具有超冗余机械臂的特性。

为了保证机械手腕的灵活性,王泽胜等[13]提出一种由3U PS/S三自由度并联机构组成的腕关节,可以实现如人体腕关节般的桡屈和尺屈、背伸和屈曲、外旋和内旋运动。

此外,针对绳驱动腕关节这一设计难点,陈建国[14]设计了一种紧凑轻巧、结构简单的三自由度并联腕关节,使腕关节具有较大的柔顺性。

Sheng[15]设计了一种基于柔性曲线梁关节的线驱动柔性机械手,并对其进行了静态仿真,结果符合设计要求。

目前具有多自由度、高柔顺性、重量轻、结构紧凑的腕关节是设计时要考虑的关键问题,而广义通用的柔性机器人手腕还需进一步探索。

综上所述,本文基于人体手腕的结构特点设计一种多自由度和较高柔性的仿人机械手腕,完成腕关节模块的结构设计,利用Sol i dW or ks软件建立三维模型,结合M A TLA B仿真计算和Sol i dW or ks模型对其进行运动学分析和仿真。

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ｔｈｅｌｅｎｇｔＬｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆｔｈｅｃａｂｌｅｓ．Ｔｈｅｓｏｔｆｒｏｂｏｔｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｍａｄｅｏｆｅｌａｓｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｈａｓｉｎｉｎｆｉｔｅｄｅｇｒｅｅｏｆｒｆｅｅｄｏｍ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｉｔｔｏｂｅｈｉｇｈｌｙｓａｆｅａｎｄｄｅｘｔｅｒｏｕｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｓｏｍｅｄｉｉｃｆｕｌｔｉｅｓｒｉｓｅｓｕｃｈａｓｂｕｉｌｄｉｎｇｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｓａｎｄｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ１．Ｂａｓｅｄｏｎｐｉｅｃｅｗｉｓｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｖａｔｕｒｅｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ，ａｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｒｅｅ
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２０１３年第２９卷第４期
文章编号：１００７－７５７Ｘ（２０１３）４ — ０００、
主机械臂的运动学分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｅｒｒｆｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｒｉｇｉｄｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｏｆｌｉｎｋｓａｎｄｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓ
材料制作而成，拥有无穷多个自由度，在确保了高安全性、高灵活性的同时，随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设，提出了一种运动学建模方法，通过建立３个空间，即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间，以及两个映射，即驱动空间一虚拟关节空间映射、虚拟关节空间一任务空间映射，将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明，提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型，能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态，计算末端执行器的位置和姿态。关键词：线驱动；柔性机械臂；运动学；分段常曲率中图分类号：ＴＰ２４１文献标志码：Ａ