针对煤矿井下液压支柱自动搬运设备,对其机械臂部件进行设计与研究,利用理论知识和工程实践经验设计成折叠形式,并对其进行运动学分析。通过Adams软件对折叠臂部件进行运动学仿真模拟,来分析折叠臂的位移、速度、加速度等运动特性,再通过ANSYS软件分析其重要零部件的结构强度。结果表明:所设计的折叠臂部件工作时,其运动特性和结构强度均很好地满足设计要求,安全无误地完成搬运工作,减轻了井下工作人员的劳动强度。

谐波传动关节是机械臂的典型关节。为了研究含谐波传动关节的机械臂在不同转速情况下的时频特性,针对空间机械臂,研制机械臂实验装置和测试系统,测试不同转速下机械臂关节处和末端标志点的振动响应。采用小波变换信号分析方法并借助于机械臂的驱动模型,分析谐波传动关节处的摩擦和运动滞后等非线性因素对不同转速下机械臂振动特性的影响。基于非线性响应面法和非线性规划方法分析了机械臂的最佳运行工况。研究结果表明:小波变换能够较好地表征机械臂在不同转速下关节和末端振动响应的时频特征;随着转速的增大,机械臂关节处和末端标志点的振动能量向低频段集中,振动能量峰值及其对应的频率呈现出局部波动;机械臂末端的振动特性明显弱于关节,关节处的振动频率更为丰富,但关节的振动能量峰值衰减比末端要快;且机械臂处于低速运...

针对多自由度串联型工业机械臂反向动力学求解问题,提出一种基于解耦自然正交补的反向动力学递推算法。通过六维旋量描述相邻连杆的速度约束,用自然正交补矩阵构建关节速度与六维旋量之间的关系。采用非解耦的Newton-Euler方程建立机械臂的动力学模型,当考虑连杆间的速度约束时,将该动力学模型用基于自然正交补的方法进行解耦,形成机械臂反向动力学递推算法,得到动力学模型的最小阶形式。以KUKA KR5六自由度机械臂为例,在仿真环境下对所提算法的有效性进行验证。结果表明:与其他4种算法相比,该算法计算复杂度低、计算效率高;该算法计算效率比ADAMS高67.7%。

针对现有机械臂轨迹控制补偿算法偏差大、效率低的不足,提出一种基于RBF-BP的机械臂行进轨迹控制与跟踪算法研究。从机械臂各轴向的空间移动、角度旋转等6个自由度出发建模,描述机械臂末端的位置移动和姿态变化,并计算向量的移动距离和偏转角度;面对机械臂系统误差和摩擦扰动导致的轨迹偏差问题,利用RBF-BP算法局部逼近最优控制轨迹,并基于高斯基函数的向量值获取最优的权值和轨迹输出值。仿真结果表明:在提出算法控制下的行进轨迹接近于理论轨迹,3个轴向的坐标误差趋近于零。

针对NSGA-II算法优化机械臂轨迹耗费计算时间的问题,提出一种时间-冲击轨迹规划优化方法。采用均匀五次B样条函数在关节空间内构造插值曲线,在运动学约束的条件下,利用牛顿法对目标函数进行迭代求解。仿真结果表明:结合牛顿法与埃特金加速法对五次B样条函数插值轨迹规划的时间和冲击进行优化求解,寻优时间短,保证在运动学约束下产生较小的冲击以及缩短机械臂的运动时间,使得机械臂的运动控制性能得到提高。

针对传统工程装备机械臂重力势能浪费及运行特性差等问题,提出利用高功重比液压缸辅助小功率电机械执行器驱动机械臂的液电混合半主动驱动系统。其中,电机械执行器主动控制机械臂运行,改善运行特性;液压缸与蓄能器连接,构成储能平衡系统,用于平衡机械臂自重,回收利用重力势能。根据电机械执行器与液压缸不同组合方式,提出3种驱动方案,以挖掘机动臂为具体应用对象,对不同驱动方案进行参数匹配设计和仿真分析。与节能效果显著的三腔液压缸负载敏感控制系统相比,液电混合驱动系统可进一步降低能耗达51%~56%,动臂速度超调和波动较小,可很好地按照预期速度运行。研究为举升机构驱动系统提供了新的方向,可实现绿色驱动,应用前景广泛。

深水作业机械臂通常采用串联式结构,机械臂每个关节的转动角度与长度会受到相应的限制,这些参数会直接影响到机械臂的运动轨迹规划和作业效率。机械臂的有效工作空间的求解是一个多目标多约束的优化问题。通过数学分析建立机械臂的运动学模型,分析影响有效工作空间的相关参数,利用图解法来分析机械臂工作空间的边界曲线,得到机械臂的有效工作空间的截面。针对机械臂有效工作空间的截面积建立数学解析模型,最后运用遗传算法求得满足约束条件下的机械臂有效工作空间最优解和能够实现高效作业的最优结构参数。仿真结果表明,该模型能够有效求解角度与运动约束下的串联式机械臂结构优化问题。

针对当前机械臂抓取与放置方式固定、指令单一、难以应对复杂未知情况的不足,提出一种基于深度强化学习与RRT的机械臂抓放控制方法。该方法将物件抓取与放置问题视为马尔科夫过程,通过物件视场要素描述以及改进的深度强化学习算法Dueling Network实现对未知物件的自主抓取,经过关键点选取以及RRT算法依据任务需要将物件准确放置于目标位置。实验结果表明:该方法简便有效,机械臂抓取与放置自主灵活,可进一步提升机械臂应对未知物件的自主操控能力,满足对不同物件抓取与放置任务的需求。

针对隧道维修钢板安装的现状,设计一款七自由度的隧道维修钢板安装机械臂。利用SolidWorks软件对机械臂进行三维实体建模,为确保机械臂设计的合理性,运用SolidWorks与ANSYS Workbench相结合的方法对运动范围内极限工况下的机械臂进行静态和模态分析,得到应力应变云图和固有频率及其振型图。结果表明:机械臂结构强度满足设计要求,在工作中可以有效避免共振的发生。研究结果为机械臂进一步优化设计提供了参考。

机械臂运动和避障中存在轨迹偏差,要通过适当控制算法加以纠正确保实际轨迹趋近于理想轨迹。提出基于改进Q-learning算法的轨迹规划与避障方案,分别构建状态向量集合和每种状态下的动作集合,利用BP神经网络算法提高模型的连续逼近能力,并在迭代中不断更新Q函数值;路径规划中按照关节旋转角度及连杆空间移动距离最小原则,实现在合理避障同时轨迹偏差度最低。仿真结果表明:提出的控制算法收敛性速度快,路径规划效果优于传统规划方案,偏移成本最低。