针对一款位姿强耦合的七自由度凿岩机械臂,提出一种基于旋量理论和微分流形理论的逆运动学求解算法。利用Paden-Kahan子问题和几何法得到该冗余机械臂的全部逆解。由于冗余关节的存在,通过末端执行器所需位姿进行求解可以得到无穷组关节逆解,其呈现出光滑流形结构,根据自运动流形的特点,将其分别映射到位置关节空间和姿态关节空间。随后根据实际作业需要,建立多目标优化泛函,对机械臂的解空间进行优化,得到优化解流形。最后针对优化解流形的一组关节逆解进行五次多项式轨迹规划。结果表明选取的最优解使凿岩机械臂在整个定位过程中运动稳定,位姿误差较小,从而验证了逆运动学解法和优化流形的正确性。

为了减小多关节系统的时滞特性对液压挖掘机工作装置轨迹跟踪精度的影响,本文设计了考虑时滞的长短期记忆-广义回归级联网络和一种基于该网络模型的多关节控制系统。利用几何法分析闭式链运动状态,建立以摇臂关节为末端反馈关节的含闭式链的工作装置运动学逆解,通过4-3-3-3-4多项式轨迹规划算法在关节空间上生成轨迹。结合LSTM的时序处理能力和GRNN的强非线性映射能力,以比例阀信号和关节转角的各阶延迟以及目标转角作为网络输入特征,通过多关节联动辨识建立起输出信号和输入特征的映射关系模型,将关节模型作为逆控制器实现多关节轨迹跟踪。经AMESim-Simulink仿真验证在空载或变载荷作用下,与不考虑时滞的LSTM系统比,考虑时滞的多关节控制系统能更准确、更迅速、更平滑地跟踪规划轨迹,误差小,并且系统具有较强鲁棒性。

在保证机械臂关节最佳柔顺性的基础上,首先利用粒子群优化(PSO)算法对机械臂逆运动学求解进行了优化,提出了一种改进的粒子群算法,该算法不仅提高了计算精度还避免了局部最优,然后利用径向基函数(RBF)神经网络对优化过的样本数据进行训练,最终得到7轴机械臂的逆解。仿真结果表明,该算法能够保证较好的计算精度。

遗传算法具有全局搜索能力强的特点,但易出现"早熟"现象;蚁群算法局部具有搜索能力强的特点。因此将遗传算法与蚁群算法结合,与此同时融合了云模型,提出一种适用于跨越越障式巡检机器人的求逆算法。为了提高算法的局部搜索能力及收敛速度,引入了网格划分策略的连续域蚁群算法;为了避免"早熟",采用了适应度值尺度变换;为了使参数自适应,采用了云模型进行修正。用遗传算法进行全局搜索,用蚁群算法进行局部迭代寻优,用云模型实现交叉算子和变异算子中参数的自适应。并以跨越机器人为对象,开展与遗传算法的对比实验,结果表明该算法可以在避免局部收敛的基础上保证算法的稳定性以及提高收敛的速度和精度。

基于腿部关节康复机理,提出了一种2URR-SRR-RUPUR 4自由度并联式腿部康复机器人,该机构能够实现踝关节的外展和内收运动、膝关节的屈伸运动、髋关节的内旋和外旋运动以及腿部的牵伸运动。基于螺旋理论分析了该机构在一般位型和初始位型下的约束螺旋系和自由度性质。建立了2URR-SRR-RUPUR并联机构的运动学模型,采用闭环矢量法求解机构的运动学逆解并分析了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,对机构的工作空间和奇异性进行研究,得到了机构的工作空间图和奇异位型。基于腿部关节康复运动路径对机构进行轨迹规划,将规划结果采用SolidWorks Motion软件进行运动仿真分析,仿真结果表明,机构运动连续平滑,适合腿部康复运动训练,具备良好的应用潜力。

提出一种新型2-GRR(FR)/GRR并联驱动双向偏转平台。动平台通过在空间中呈正十字交错且同心的两个分支结构与底座相连接,该平台可以在X、Y两个方向上实现大角度偏转。以平台中一条支链为研究对象,采用D-H法建立了各构件的局部坐标系,对其做了运动学逆解分析,并采用双变量反正切函数的方法得出了其解析方程;然后,根据达朗贝尔原理建立了各构件的力与力矩平衡方程;最后,采用New-Euler法推导出了平台的动力学模型,并运用所建立的动力学模型对并联驱动双向偏转平台进行了实例计算,得出了其在给定外力及外力矩条件下实现规定运动时所需要的驱动力矩曲线图。

针对风洞捕获轨迹实验设备的需要,提出一种串联6自由度机构。建立了机构的运动学正解模型,对于串联机构运动学逆解难的问题,通过BP神经网络和数值法两种方法进行了该机构运动学逆解的探索。针对数值法逆解时初值估计难的问题,提出了一种新的方法,通过实例分析,验证了该方法的正确性。解决了数值法求解时初值估计的问题,使得数值法顺利解出逆解,相比BP神经网路,数值法精度更高。

通过MATLAB机器人工具箱为配网带电作业所用的UR10机器人建立数学模型,通过对其运动学计算和路径规划等影响机器人作业效果的重要问题进行仿真分析,为机器人更好完成配网线路带电作业这种复杂、危险的作业任务提供了理论依据。

采用宏／微结合双驱动的少自由度并联进给结构，给出了一种光栅拼接装置设计算法。宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构，采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构；微动部分是5TSP-1PPS型并联机构，采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构；二者串联构成光栅拼接机构。计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度，利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法，并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真。为了提高机构的定位精度，分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法。最后，将以上算法应用到光栅拼接装置中。实验结果表明：宏动部分最大移动定位误差为3．6um，最大转动定位误差为4．4urad；微动部分最大移动定位误差为0．06um，最大转动定位误差为1．2urad；基本满足光栅拼接系统的精度要求。

根据机器人D—H方法分析五自由度打磨机器人的特点，利用坐标变换对机器人机构运动学方程进行推导，得到五自由度打磨机器人的正、逆运动学求解通用公式，为实际的五自由度打磨机器人的位置及速度控制提供了依据。