应用FLOW3D于膳食辅助机器人的轨迹规划设计

应用FLOW3D于膳食辅助机器人的轨迹规划设计

作者：Yoshifumi Kuriyama

近年来，医疗辅助机器人的开发与设计成为一个重要的课题，本篇研究的重点，在于利用CFD 计算流体力学配合最佳化设计，研究如何取得机器手臂在移动汤匙的过程中，不会造成流体溢出的运动轨迹。

初步设定及模拟比对

机器人本体由六个运动马达组成，每个马达的最大运动角素度如下表。

汤匙的规格如下图

在本研究中搭配使用的CFD 软件为FLOW-3D ，流体的体积为0.0047 × 10 ? 3 [m 3 ] ，流体的物理性质如下表。

FLOW-3D 的网格尺寸及设定如下所示。

在此研究中，汤匙沿着Y 轴移动，下图表示其位移量及移动速度。

下图则是以FLOW-3D 进行模拟之分析结果以及实际机器手臂运动时流体的溅出状况。

Part A. 最佳化的设定流程

本研究的计算流程可以由下列流程图表示。因此首先必须先定义出相关的参数以及决定初始条件。

研究中，移动路径是由速度曲线积分而得，如下图。

速度曲线可大致分为三个区块，分别是加速区, 等速区, 以及减速区。而速度曲线可以用

七个常数加以描述，如下之方程式。

根据

1. t = 0

2. t=t1

前述之七个设计常数可为

当t=t1 时

Part B. 指定最佳化限制

1.最小移动速度不能够小于零。

2. 每个马达的转动角速度不得大于马达规格。

3. 移动过程中波溅出的水量必须小于零。

将上述评估方程式以程序计算

Part C.

Part C. 计算结果

Part D. 分析结果与实验比对

(end)

工业机器人的运动轨迹

专题综述 课程名称工业自动化专题 题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号 学生姓名___ _ _ 指导教师_____ _____ 2013 年 6月 27日

工业机器人的运动轨迹综述 【摘要】：随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此，多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重，在得到反馈信息之后，如何作出应答，并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合，为此也要进行追踪与动作修正。 【关键词】：工业机器人，视觉，路径跟踪，轨迹规划，高精度 1.机器人视觉，运动前的准备 实际的工业现场环境复杂，多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低，引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等，使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大，因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准，从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 建立的工业机器人单目视觉系统，整个系统主要由单目视觉单元，监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机，负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区；监控单元负责监控各工作站的当前状态，并完成对存储图像进行相关处理的工作，达到识别定位目标的目的；执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 以立体视觉理论为基础，研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系，建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案．对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明，该检测方法简单实用，基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究 为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标，提出了一种基于计算机视觉引导的解决 方法。该方法利用指定目标的3D数据模型，以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获；取到的数字图像，经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像，再利用投影

基于Adams的并联打磨机器人复杂加工轨迹规划

收稿日期：2012-05-15；修回日期：2012-08-10 基金项目：横向项目（0719） 作者简介：解本铭（1956—），男，辽宁彰武人，教授，工学硕士，研究方向为机电液一体化. 基于Adams 的并联打磨机器人复杂加工轨迹规划 解本铭，张 新 （中国民航大学机场学院，天津300300） 摘要：研究了基于PMAC 的三自由度并联打磨机器人，根据加工对象提出一种新的轨迹规划方法，该方法通过软 件adams 的逆向仿真实现原动件的轨迹规划。最后通过对并联机器人的运动学仿真，并做出误差分析，根据仿真结果说明这种方法对于并联机器人的可行性。 关键词：PMAC ；轨迹规划；电力金具；打磨机器人中图分类号：X951 文献标志码：A 文章编号：1674－5590（2013）02－0067－04 Complex processing trajectory planning of barinder based on Adams XIE Ben-ming ZHANG Xin （Airport College ，CAUC ，Tianjin 300300，China ） Abstract ：In this paper ，the three degree barinder based on PMAC is studied ，a new trajectory planning method is proposed according to the machining target ，the trajectory planning of the original moving parts is achieved through the reverse simulation.Finally ，a simple error analysis is created based on the kinematics simulation ，and the feasibility of this method is explained by the simulation result and the error analysis. Key words ：PMAC ；trajectory plan ；electrical fittings ；barinder 三自由度并联打磨机器人是为打磨输配电用悬锤金具而设计的一种新型并联机床。其加工对象输配 电用悬锤金具是绝缘子上的重要联接件。悬锤金具采用铸造工艺加工，在后续加工工序中需去除毛刺和飞边，现阶段该工序采用手工打磨，加工效率低、工作环境粉尘多且需要经验丰富的工人。悬锤金具外形复杂，需打磨的轨迹也就相应的比较复杂，所以一个有效的轨迹规划方案对加工精度和加工效率都相当重要。本文针对悬锤金具的复杂加工外形提出了一种新的轨迹规划实现方案。 1并联打磨机器人运动学逆解 如图1所示，并联打磨机器人机械结构由动平台、三条并联支链和相应导轨构成。每条支链由连杆CD 和上下两个类似虎克铰的构件组成，三条并联支链完全相同。动平台没有转动自由度只有三个移动自由度，导轨上的移动副为机构的主动副，动平台上安装卡具，侧面固定砂轮，悬锤工件随平台上的卡具一 起运动[1]。 图1中，固定坐标系O-xyz 在位于中间丝杠的中 心，点P （x p ，y p ，z p ）为动平台的几何中心，在点P 上固定着动坐标系P -x p y p z p 。并联打磨机器人的结构关系为：在支链1中，点A 1在定坐标系下的坐标值为（g ，y s 1 ，0）， 图1并联机器人运动结构模型Fig.1Structure model of barinder 第31卷第2期2013年4月 中国民航大学学报 JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINA Vol.31No.2April 2013

工业机器人的轨迹规划和控制

工业机器人的轨迹规划和控制 S. R. Munasinghe and Masatoshi Nakamura 1.简介 工业机器人操作臂被用在各种应用中来实现快速、精确和高质量的生产。在抓取和放置操作，比如对部分的操作，聚合等，操作臂的末端只执行器必须在工作空间中两个特定的位置之间移动，而它在两者之间的路径却不被关心。在路径追踪应用中，比如焊接，切削，喷涂等等，末端操作器必须在尽可能保持额定的速度下，在三维空间中遵循特定的轨迹运动。在后面的事例中，在对末端操作器的速度、节点加速度、轨迹有误等限订的情况下轨迹规划可能会很复杂。在没有对这些限制进行充分考虑的情况下进行轨迹规划，通常会得到很差的表现,比如轨迹超调，末端操作器偏离给定轨迹，过度的速度波动等。机器人在笛卡尔轨迹中的急弯处的的表现可能会更加恶化。到目前为止很多轨迹规划算法己经被提出，从笛卡尔轨迹规划到时间最优轨迹规划。然而，工业系统无法适应大多数的这些方法，有以下两点原因：（1）这些技术经常需要进行在目前机构中进行硬件的移动，生产过程必须被打断以进行系统重新配置，而这往往需要很长时间。（2）这些方法中很多通常只考虑到一种约束，而很少关注工业的需求和被请求的实际的约束。因此，它们很难在

工业中实现。 在本文的观点中，我们提出了一种新的轨迹规划算法，考虑到了末端操作器的速度限制，节点加速度限制，应用中的容错度。这些是在工业应用中实际的约束。其他工业操作臂中的技术问题是他们的动力学延迟，这导致末端操作臂在轨迹中的拐角处出轨。为了补救这个问题，我们设计了前向补偿，稍稍改变了拐角处的路径，使得即使在延迟动力学环节存在的情况下依然确保末端操作臂的实际跟踪轨迹。结合了前向补偿新的轨迹规划算法在控制系统中表现为单一的前向阻塞。它可以轻松地适应目前的工业操作臂系统，不冒风险，不花费时间重新配置硬件。 轨迹规划算法可以为所有操作臂的节点产生位置，速度和加速度的大体规划。在大多数工业操作臂中，系统输入是节点的位置数据，这在工业中是作为被给定的数据而广为人知的。为了用笛卡尔轨迹规划来控制操作臂，Paul描述了同类型的转换是怎样可以被用来代表一系列操作臂连杆的位置和原点的。Shin et.al.的工作和我们的很相似，但是实现在工业控制系统中的应用是很困难的，因为它需要知道很多操作臂的连杆和节点的参数。在大多数工业操作比系统中，这些参量并不能被精确的获知。 在我们之前的工作中我们解决了在二维空间中加速度和速度的约束，在目前的工作中，当我们考虑到容差度，我

2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法

第52卷第3期2016年2月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.3 Feb. 2016 DOI：10.3901/JME.2016.03.001 2自由度绳索牵引并联机器人的高速点 到点轨迹规划方法* 张文佳 尚伟伟 (中国科学技术大学自动化系 合肥 230027) 摘要：合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求，但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人，根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件，提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点，构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段，故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线，使得机器人在起始点和终止点的加速度为零，而中间若干点的加速度不为零，实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件，且加速度为简单的一次曲线，可以实现高速的点到点运动。 关键词：绳索牵引；并联机器人；S型-梯形速度规划；动态工作空间；拉力约束 中图分类号：TP242 High-speed Point-to-point Trajectory Planning of a 2-DOF Cable Driven Parallel Manipulator ZHANG Wenjia SHANG Weiwei (Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027) Abstract：Suitable trajectory planning methods can improve the smoothness, rapidity and efficiency of motion control of robot. Polynomial and trigonometric formulation are often adopted to realize smooth trajectory planning for cable-driven parallel manipulator, while the two approaches are complex and have weak rapidity. A new combined planning method with S-trapezoid curve is proposed for the point-to-point motion of planar 2-DOF cable-driven parallel manipulator, and the unilateral constraints on cable tensions are computed according to the dynamic model. Considering the specific point-to-point trajectory includes a list of target points that must be reached in sequence, thus it can be divided into the initial segment, the middle segment and the final segment. And then the combined planning method with S-trapezoid curve is applied to plan the velocity curve of the three segments. The acceleration is zero at the initial and final point, while it’s nonzero at the middle points. The dynamic trajectory planning can be realized with this state. The proposed planning method is implemented on a 2-DOF cable-driven parallel manipulator, and the simulation results indicate that the unilateral constraints on cable tensions could be satisfied and the acceleration curve is simple first-order curve, thus high-speed point-to-point motion could be realized. Key words：cable-driven；parallel manipulator；velocity planning with S-trapezoid curve；dynamic workspace；tension constraint 0 前言 并联机器人具有高承载能力、高刚度、高速度等优点，已经得到了较为广泛的研究和应用。传统 ?国家自然科学基金(51275500)和机械系统与振动国家重点实验室开放基金课题(MSV201502)资助项目。20150223收到初稿，20151104收到修改稿的并联机器人机械机构复杂、工作空间非常有限，关节之间通过连杆连接，连杆的质量和惯性导致机器人负载/自重比较低、能耗较大。绳索牵引并联机器人用绳索代替刚性构件，使得并联机器人具有工作空间大、机械结构简单、易于模块化等优点，可以广泛应用于工业制造、医疗装备、航空航天等各个领域，已经引起了学术界的广泛关注。根据绳索数目m和自由度数目n之间的关系，绳索牵引并联

轨迹规划

轨迹规划分为在任务空间和关节空间两种。根据并联机器人完成工作任务所经过的空间轨迹，编制相应的轨迹规划软件，通过计算机来事先离线计算出各驱动关节在运动中的轨迹，亦即完成轨迹规划的任务。Paul[16]提出一种机器人手臂沿空间直线段运动的关节轨迹规划方法，Kim和shin[18]又提出一种时间最短轨迹规划方法，这种方法也是基于关节空间的。 运动轨迹是指在运动过程中的位移、速度和加速度。轨迹规划，是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹，然后，在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插"或者“逼近”给定的路径，并且求出一系列“控制设定点’’，并将其提供给控制单元处理。根据上述方法求出各轴的移动位移最后，即可规划运动曲线。在各轴位移求出的情况下，根据所规划速度曲线的形状，可求出各个时间点对应的速度值来确定速度曲线，从而完成运动规划 常规的PID控制对于大多数点位控制应用是相当有效的，而对于轨迹跟踪控制问题则效果不理想。由于并联机器人的绝大多数应用是要求轨迹控制的，因此很少使用常规的PID控制。 并联机器人轨迹规划 首先要根据系统运动要求由并联机器人机构的位置逆解方程求解出机器人的始末位姿；然后运用三次多项式插值的方法，分别对并联们器人的三条支路轨迹规划。Matlab仿真。

并联机器人控制系统模型的建立 机器人控制系统的结构如图。在输入期望轨迹以后，机器人控制系统首先通过轨迹规划，把期望的运动轨迹转换为驱动关节的广义位置坐标。在机器人控制系统的三个相对独立的回路中分别形成闭环控制回路，通过检测编码器的反馈信号，并与实际的给定位置相比较，根据两者间的误差不断产生控制作用，使机器人关节的实际位置运动到给定值。系统中轨迹规划和控制在上位机由软件实现，控制输出由运动控制卡和驱动器完成，最终由电机执行。 （哈尔滨工程大学. 6-PRRS并联机器人运动控制方法的研究，2006）建立了6-PRRS并联机器人的运动学模型，并对位置逆解的选取进行了简化，方便了计算。分别使用基于符号运算的微分构造法和矢量构造法求解6-PRRS并联机器人的雅可比矩阵，并验证了这两种方法的正确性。根据运动学分析结果，对并联机器人的轨迹规划问题进行了研究。并对并联机器人的六轴协调运动进行了分析，得出了在这

真空并联机器人轨迹规划仿真

真空并联机器人轨迹规划仿真 黄玉钏;曲道奎;徐方 【期刊名称】《计算机仿真》 【年(卷),期】2012(029)012 【摘要】To well fulfill the trajectory planning passing through several interpolation points for FROG - LEG vacuum - parallel robots, the key point on using NURBS for trajectory planning was researched. The solution of kinematics and inverse kinematics and trajectory planning scheme using NURBS was theoretically obtained by establishing an equivalent serial model of the parallel robots. Then the simulation trajectory planning based on NURBS was carried out utilizing robot tool of Matlab. Simulation results show that this method can be used to achieve the goal of the vacuum - parallel robots passing accurately inserted orientation and position. Our results theoretically solve the critical problem on vacuum - parallel robots passing accurately inserted orientation and position, and show great potentials of accomplishing FROG - LEG vacuum - parallel robots trajectory planning based on NURBS.%为了实现FROG-LEG型真空并联机器人准确经过多个中间位姿点的路径规划,研究了类机器人NURBS曲线路径规划的关键问题.通过建立FROG-LEG型并联机器人等效的串联运动学模型,获得了机器人运动学的正反解,在运动学基础上设计了该类机器人基于NURBS曲线的路径规划方案.通过Matlab的robot tool工具箱,进行了FROG-LEG型真空并联机器人运动学和路径规划的