研究输入方案选择新颖的并行机制

文摘

当机器人的两臂运送重型负载在一起,形成一种新的并行机制。致动器的输入选择和优化的并行机制基本和机制研究的重要问题。摘要2-RPPPS双臂机器人作为研究对象。首先,基于螺旋理论和输入选择原则,158年得到了合理的方案。然后,建立一个评价机制筛选出不符合输入的方案选择原则。然后,并联机构的终端执行器沿着两个不同的轨迹。利用粒子群优化算法,每个轨迹的逆运动学解,和每一个执行机构的速度和加速度在不同轨迹。最后,每个执行机构的运动稳定性评价,选择最佳方案。结果表明,最佳输入方案可以选择根据不同的轨迹,以便提高并联机构的性能。作者的知识,没有人做了任何研究选择合适的输入计划根据末端执行器的轨迹。

1。介绍

在机器人技术的迅速发展,在20世纪末和21世纪初,市场和技术的推动下,已经取得了很大的进步。机器人产品已广泛应用于工业领域(1]。其中,单臂机器人的应用领域主要是在工厂流水线,如绘画、汽车零部件和安装。然而,在许多地区的物流活动,单臂机器人无法完成这样的工作。例如,在建筑业,有许多技术流程和建筑组件的重量是伟大的。因此,单臂机器人不是主管。双臂机器人是一个必然选择。当有大型建筑组件的双臂机器人,为了大大提高机器人的负载能力,它需要携带一个大的组件有武器,形成一个平行的机制。它是一个科学问题选择最优输入的冗余并联机构分支2]。

目前,国内外学者已经进行了很多研究的输入选择并行机制,取得了许多研究成果。妞妞(3)分析的输入选择的影响3-PPRR并联机构动力学,运动/力传递率,和灵巧的表现,最佳组合。可折叠2俄文/ 2 rrs提出了并联机构作为汽车运动模拟平台(4]。此外,基于Grassmann几何,输入选择机制的合理性进行了分析。小说4-UPS-RPS空间5-degree-of-freedom(景深)并联机器人机制提出了(5]。机制的原则可以执行三维旋转和二维翻译运用螺旋理论分析了景深的计算机制和驱动输入选择进行了探讨。这项研究提供了一个理论基础的优化设计和运动规划4-UPS-RPS并行机制。在[6),选择适当的活动关节考虑机器人的冗余,和适当的执行路径规划机器人的攀爬。基于原作品和作者的模拟,剪刀的几个值的规则输入向量机制执行(7]。这些规则表明,最大输入的力之一总是发生在提升的开始位置。曹et al。8)提出了一个3-PPRU并联机构与一个完全/部分/非常数的雅可比矩阵。基于螺旋理论和选择驱动组件,驱动输入选择的合理性进行了分析。由不同的工作选择,点可以实现完全的雅可比矩阵/部分/非常数的。在[9),的类型合成3 r2t 5自由度并联机构系统的执行。利用李群的位移,提出了一个输入选择方法。在[10),条件合适的致动器选择RaPWs透露,和一个例子是用来执行验证。结合两者的优点并行机制和兼容的机制,compliant-parallel机制有两个转动自由度设计用于满足一个轻量级的要求和紧凑pan-tilt平台(11]。最后,一个方法来确定弯曲的关节阻尼铰链,旨在探索关节阻尼的影响在致动器选择和实时控制。修改后的流动方程提出了地址类型的关节的影响在并联机构的流动(12),紧随其后的是一个例子的影响积极联合果酱和致动器力损失流动性。并行机制与2 t1r和2 r1t运动模式合成利用位移流形的理论(13]。不同的运动模式之间的转换配置机制利用螺旋理论验证是可行的。结果表明,新的并行机制有两种模式:2 t1r和2 r1t。四肢的三自由度并联机构嵌入结构是一种新型的并联机构动平台可以连续旋转360°。这种特殊的机制导致nonunique肢体除法。方法提出了合理划分的四肢在[14]。致动器的影响性格和冗余驱动的三自由度tricept并联机构的性能进行了分析(15]。tricept机制的性能特征与不同的致动器配置和冗余驱动对比地研究。结果,驱动模式,可以同时提高运动灵活性和刚度特性。小说3-PCRNS球面三自由度并联机构提出了(16]。流动性、奇异点和输入选择通过螺旋理论分析了这种机制。结果表明,循环移动副可以驱动。获得一种新型并联机构的运动分岔,结构限制,运动模式,输入计划利用螺旋理论分析了在17]。结果表明,并联机构有能力执行变速运动模式,如3 t3r, 3 t, 3 r, 2 t1r, 1 t2r。撒哈拉沙漠的et al。18]提供了一个重要的理论选择执行机构配置和参数,导致某些驱动性能如最大角度和时域特征响应输入条件。结果Cavacanti桑托斯et al。(19)方法是最佳的输入给定轨迹主动关节的终端执行器考虑输入限制和不同的成本函数。使用该方法的性能冗余3-PRRR操纵者在数值模拟和实验研究。结果证明能力和策略的多功能性。

总之,学者们的研究主要集中在景深的计算和分析输入的理性传统的并行机制。然而,很少有研究对如何选择最优输入计划根据不同的轨迹。在这篇文章中,冗余双臂机器人作为研究对象。两臂抓住同一个对象时,机器人成为并行机制有两个分支。机器人的驱动输入选择的合理性在不同轨迹进行了分析。这项研究提供了一个理论依据改善双臂机器人的性能。

2。材料和方法

2.1。研究对象的介绍和输入理性分析

2.1.1。研究对象的介绍

国家重点研发基金的支持下,我们的团队独立开发一个冗余的双臂机器人。整体设计图如图1。

机器人是安装在车体上。每个机械手的结构是相同的,和它的自由度是7。第一个旋转关节和三个平行四边形关节实现机械臂的位置控制。三个旋转接头安装在第三个平行四边形结构和第一个可以一起实现方向调整。与传统的串联机械手相比,它具有更好的负荷能力和工作空间。机械手是多余的,在避障有更多的优势和灵活的操作。有三个主要工作模式在图2。(1)机器人抓取板与一只手臂移动到指定的位置来调整板的方向,然后是其他机械手载人平台和移动到指定位置,然后是施工人员安装板。(2)与小板的质量或建筑需要安装大量的组件,两臂可以抓板安装在同一时间。(3)重型建筑组件,机器人的负荷能力可以大大提高载着两臂在一起。本文主要研究第三个工作模式。

四肢并行机制有两个图所示1。body-mounted操纵者的表面与水平面一致,这可以看作是一个静态的平台。对象持有的武器都可以被视为一个移动平台。这两个平台是由两个相同的连接RPPPS四肢。在图1一个标有是我th螺钉的肢体,一个标记是我螺杆的第二肢体。和在飞机 ,旋转关节; 和 6是相同的平行四边形关节。每个平行四边形是由其对角线移动关节。其结构特征是结束的方向平行四边形移动时不会改变;结束的时候手臂两个球面3自由度关节。每个肢体都有7自由度。固定的坐标系建立了第一个关节在第一次肢体如下。的点位于第一个关节的中心。的 - - - - - -轴穿过线连接两臂的中心点。的 - - - - - -轴是垂直于水平面。的 - - - - - -轴是根据右手法则决定的。对象的坐标系和世界坐标系建立了。

注意:在图1的距离联合的肢体方向汽车的身体是一样的联合第二肢体的方向 ,这是吸引到方便的显示初始配置的机制。

2.1.2。扭转系统的建立

根据图1,扭转系统的第一个肢体在坐标系中建立了初始配置 。

第二个肢体扭转系统的初始配置如下:

在方程(2),有六个螺丝是线性无关的。它的倒数螺丝如下:

我们有 符号””表示交互的产品。没有解决方程(4),所以可以看出没有互惠螺钉方程(1),没有约束螺旋在移动平台上。

2.1.3。输入方案研究

当两臂组件同时,双臂机器人可以被视为一个并行机制有两个四肢。选择一个合理的输入方案的前提是分析并联机构的性能。如果最大线性无关向量的个数约束螺旋系统的移动平台等于6毕竟致动器是锁着的,这意味着移动平台是受到六个线性独立的螺丝和失去所有自由度。输入选择组合是合理的20.]。在本文中,每个肢体可以实现6自由度空间运动,和方程(1)和(2)没有约束螺旋。所以,驱动关节可以选择如下:有14两四肢关节,和6关节是随机选择的,形成一个矩阵或行列式。如果矩阵的秩是6或行列式不为零,另8驱动关节的输入我们需要选择。所以,有一个矩阵:

在方程(5),有 6螺丝随机选择的组合。然后,从这3003个组合,158组合排名6。

一切合理的计划已经找到,但是三个约束指标应考虑:(1)执行机构应均匀分布在每一个肢体(2)执行机构应优先放置在或接近底部(3)如果有棱镜对,他们是首选

因此,让每个部门分配4致动器,58组合。在此基础上,建立一个评价机制。更紧密的联合是基础,它的分数就越高。也就是说,10点和 ,8点和 ,6点和 ,4点和 ,和2点 , , 和 , , 。

根据评估机制、58方案分级和分类在附录,和26日计划得分44以上选择的替代方案以下内容。

2.2。基于粒子群优化的逆运动学分析

机器人的逆运动学解是指寻找相应的各关节角通过了解机器人的姿态,这是机器人控制的重要组成部分。因为机器人是一个冗余的结构和逆运动学解的数量是无限的,传统的几何方法和分析方法并不合适。很多学者使用一些优化算法,如neurofuzzy方法解决如此复杂的问题(21,22]。粒子群优化(PSO)算法结构简单,不需要大量的参数调整。因此,本文以“最低的和致动器的位移,造成错误的目标点在邻点”作为优化目标和各关节的角度限制为约束条件,利用粒子群优化算法找到机器人的逆运动学解(23]。

在算法的逆运动学解之前,需要建立机械手的运动学模型。正运动学模型已经建立了一个单臂的前体(24]。终端执行器的位置可以表示为

手势可以表示为 在哪里

的长度的长边平行四边形。 的角度旋转接头。 时间越长之间的角度是一个平行四边形,水平面。和代表和 。

2.2.1。分析逆位置的解决方案

在并行模式下可以简化机理如图3。所使用的闭环方法。

点O是两臂的中心基地。点一个机械手的基础。点B是抓点机械手和对象,和点吗C是中心的移动平台。建立了坐标系统的O,C点。机器人的逆运动学问题是找到每个关节角,知道的位置C 点和角度基准坐标系。

使用闭环的方法,每个部门的闭环方程可以写成 在哪里我= 1和2之间的长度是 ,之间的长度办公自动化是 。所以,我们有

当我= 1,之前的标志是正的,什么时候我= 2,它是负的。因为的坐标点可以从上面获得,前四个关节的旋转角度的手臂可以确定。四个未知数和三个方程有无限的解决方案。

2.2.2。反方向的分析解决方案

的旋转矩阵点相对于基地已获得。坐标系的旋转矩阵相对于坐标系统C是由贪婪的角度。基坐标系的旋转矩阵相对坐标系统O也是已知的。然后,逆态度解决方案可以根据以下公式:

2.2.3。引入粒子群优化

造成包括位置和姿态。由于不同位置和姿态的数量级,介绍了惩罚因子α。目标函数如下: 在哪里是目标函数,它由三个部分组成。第一部分确保最低位置误差。第二部分保证了定位误差最小。第三部分确保各关节运动的连续性。 分别代表第一臂和第二臂。 , , , , ,和的位置和姿态我分别th点将达到。 在迭代的角度是14关节吗k。 粒子群是人口的数量。 初始角的14个关节。惩罚因子α= 10³。

本文算法是用来解决上述目标函数。首先,一组随机定义解决方案满足约束条件,满足目标函数和相应的解决方案是由比较每组的当前最优值的解决方案在一个迭代所有粒子的全局最优值。粒子速度和位置的更新是由以下方程: 在哪里和随机数在区间[0,1]。和是加速系数。因素和控制在一个迭代粒子运动的范围。在大多数情况下,他们都是相同的。惯性权重 。 是最好的位置发现的任何粒子在迭代k。是其个人的最佳位置。和飞行的速度和位置吗我th粒子在迭代k,分别。中给出了PSO算法的伪代码1。

假设B坐标系统,C坐标系统是平行的。的一个坐标系统是平行的O坐标系统。设置为200毫米,然后呢设置为250毫米。使用该算法,弧形轨迹是任意平面的计划Z= 0。计划的轨迹和解决方案结果如图4。从中可以看出,算法的解决方案的结果非常准确,以及解决方案和规划轨迹之间的误差是10⁻¹¹毫米数量级,满足实际工程的要求。此外,结果表明,该算法具有以下优点:每个迭代计算量小,只需要500个粒子;结果是连续和光滑,可以应用于实际工程。该项目已在MATLAB中得到了验证。

3所示。结果与讨论

3.1。最优输入方案

3.1.1。仿真实验

逆运动学的问题已经解决了。在本节中,关节的角速度和角加速度得到根据逆运动学解。两个圆弧轨迹如图设置5。在平面上的轨迹Z= 0,1000,(0,400)为中心和(3000、400)作为起点(单位:毫米)。终端执行器保持一个固定的方向,逆时针旋转30度。每个轨迹由91均匀分布的点,和末端执行器通过每个点的轨迹以恒定速度。逆运动学解中每个点的轨迹。时间、角速度和角加速度可以得到以下方程: 在哪里的时间吗我+1日指出我点, 和 角速度和角加速度的吗我th联合在这段时间,和是假定的终端执行器的速度。 。其他符号的意义是一样的,方程(4)。

根据上面,得到角速度曲线,角加速度曲线推导得到的角速度曲线。

注:根据实际工程的需要,操作对象的加载和大尺寸大的双臂机器人,假设速度很小( ),所以形象的价值很小。因为方向设置为常数,最后三个关节手臂的变化非常小。

在数据6- - - - - -9第一行显示,在机械手各关节的角速度,第二行显示了角加速度。

3.1.2。建立评价指标

总方差问每个输入方案获得通过计算每个角加速度的变化曲线的总和。较小的问是,波动越小速度和更好的机械设备的性能。最小的一个问选择最好的方案。 在哪里样本方差,X的变量,是样本均值,n样品的数量,问是一个输入的总方差方案。

结果如表所示1,这表明最好的可以选择输入计划根据不同的轨迹,以便提高并联机构的性能。

4所示。结论

本文解决的问题驱动的输入选择双臂机器人在不同轨迹时双臂机器人持有相同的对象。首先,各种合理的驱动输入选择方案基于螺旋理论,根据评价和方案分级机制。然后,手臂的逆运动学解获得基于粒子群优化和各关节的角速度和角加速度计算。根据角加速度方差最小的原理,选择最好的方案。结果表明,有158种合理输入方案,其中58依照输入选择原则。本研究可以选择最优输入计划根据不同的双臂机器人的轨迹。在下一阶段,会考虑实际问题,如缺陷的机制25]。

附录

58合理驱动输入方案

1 - 7代表第一机械手的first-seventh联合和8 - 14代表first-seventh联合第二操纵者,分别。例如,3 4 6 7 9 10 11 12的意思(表2)。

数据可用性

本文的所有数据计算获得的。计算是基于螺旋理论。

信息披露

Yajun陈和李Yongbin co-first本文的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由国家重点研发计划(2018 yfb1306900)和河北关键研发计划(19211816 d)。

引用

1. f·f·李,问:太阳。,“Investigation and analysis of the development status of industrial robot of China,”《机械传动》第六卷,p。2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 耿m . c、t . s .赵和c·g·张“2俄文/ rrs并联机构及其运动学分析,“《机械传动,42卷,不。2、2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. y z妞妞,驱动选择冗余驱动并联机构的研究基于性能指标秦皇岛燕山大学,中国,2015。
4. 赵y, b .梁,j . Zhang et al。”表演的效果分析的输入选择3-pprr平动并联机构,”机器人与自动化国际杂志》上,33卷,不。6、2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 邓y、x l .陈和x y太阳,“4-Ups-Rps并联机器人机构及其静力学分析,“北京大学技术杂志》上,39卷,不。10,p . 2013。视图:谷歌学术搜索
6. 诉Boomeri和h . Tourajizadeh”设计、建模和控制的一个新的操纵爬墙机器人通过基础设施使用自适应力控制方法,”Robotica,38卷,不。11日,第2059 - 2039页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. w·张、张x和c .严”特征三角形方法输入向量的剪刀升力机制及其应用在建模和分析中,“先进的机械设计系统和制造》杂志上卷。9日,20-3,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. y曹、张t y赵,g .马”3-PPRU并行机制的性能分析与一个完全/部分/非恒定的雅可比矩阵,”机械科学与技术杂志》上,34卷,不。10日,4263 - 4279年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 问:李、黄z和j . m . Herve”类型的合成3 r2t自由度并行机制使用位移的李群,”IEEE机器人和自动化,20卷,不。2、173 - 180年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. h .曲、y方和s .郭”类的结构合成的三自由度手腕机制redundantly-actuated闭环单位,“美国机械工程师学会学报》上,C部分:机械工程科学》杂志上,卷230,不。2、276 - 290年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d . j . Yu Lu, g .,“兼容平行pan-tilt平台设计与分析”Meccanica,51卷,不。7,1559 - 1570年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m·哈桑和l . Notash”积极联合失败分析并联机器人机械手,”《机械设计,卷126,不。6,959 - 968年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. w·刘,刘h . z。”类型合成2 t1r和2 r1t三自由度并联机构的运动模式,”中国农业机械学会的事务,49卷,p。2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. w·m·李·g·w·杨,j·j·张,“输入理性分析的三自由度并联机构的四肢嵌入结构,”机械科学卷,10的佳绩,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. r . j . f . Li y范,j·h·范”的影响致动器配置和冗余驱动tricept并联机构的性能,”中国机械工程杂志》上,44卷,不。1,p。9日,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 李问:c . c . y . Wu和w·p·沈,“小说3 pcrns球面三自由度并联机构,”中国机械工程杂志》上2006年,42卷,p。11日。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. b . Wang和y . f .方舟子,“结构性约束和运动模式与分岔分析并联机构运动,”西安交通大学学报52卷,7 - 6,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 和y l .撒哈拉l . Wu特,“建模与仿真的机器人手指由尼龙人造肌肉,”机制和机器人技术杂志》上,12卷,不。1,p。2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. j . Cavacanti桑托斯·m·马丁斯da Silva, m·马丁斯da Silva“冗余解决运动学上地冗余并联机构通过微分动态编程,”机制和机器人技术杂志》上,9卷,不。4,p。4, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. z黄、赵y s和t . s .赵Advabced空间机制,高等教育出版社,北京,2016。
21. m . Bucolo l .命运m . Nelke a·里索和t . Sciacca”预测模型对腐蚀现象在纸浆和造纸工厂,”控制工程实践,10卷,不。2、227 - 237年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. c . Kim r·巴特拉h . Tran l . Chen和r·莱姆布莱萨”聚合物设计使用遗传算法和机器学习”,计算材料科学文章ID 110067卷,186年,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. o . Ozşahin和y Altintas预测频率响应函数(降维)的非对称耦合分析的工具夹杆和梁模型和工具,”国际机床制造杂志》上卷。92年,31-40,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. l .孟、t·j·李和y . b . Li”板安装的双臂机器人,设计与分析”制造自动化,4卷,2021年。视图:谷歌学术搜索
25. m . Bucolo a . Buscarino c . Famoso l .命运和m . Frasca“不完美的动力系统,控制”非线性动力学,卷98,不。4、2989 - 2999年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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