1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
本文将冗余机械臂的轨迹跟踪和避障规划统一为优化问题，提出了一种基于改进灰狼算法的避障跟踪优化器。首先，基于包围盒法对避障空间进行了建模，使用GJK算法计算机械臂与障碍物之间的最小距离。其次，设计了适应度函数，引入避障奖励项对优化器进行主动奖励，使机械臂在跟踪目标轨迹的同时避开障碍物。然后，使用随机分散策略对灰狼算法进行了改进，以增强算法的全局搜索能力，从而更好地求解优化问题。最后，使用九自由度冗余机械臂验证了所提出方法的有效性和优越性。实验结果表明：对于圆形目标轨迹，机械臂的末端跟踪误差为0.21 mm；跟踪过程中，机械臂与障碍物的距离不小于70 mm；相比于经典灰狼算法，改进灰狼算法使跟踪精度提高了13%。本文提出的避障跟踪优化器能以毫米级的精度同时满足冗余机械臂的轨迹跟踪和避障任务；改进的灰狼算法能有效提高经典灰狼算法的收敛精度。
冗余机械臂 灰狼算法 轨迹跟踪 避障规划 redundant robotic manipulator grey wolf optimizer trajectory tracking obstacle avoidance 光学 精密工程
2023, 31(24): 3595
光子学报
2022, 51(12): 1212002
1 上海理工大学 医疗器械与食品学院, 上海 200093
2 江西中医药大学 中医学院/生命科学学院, 南昌 330004
为了在按摩、针灸等中医相关诊疗过程中, 高效率定位中医按诊所需腧穴。结合单目视觉标定与定位原理, 提出了一种基于三维坐标系之间转换矩阵求取的中医诊疗机械手坐标定位和转换方法。通过进行相机标定得到相机内参数并建立相机三维世界坐标系, 再基于可粘贴于机械手任意固定位置的自定义标签图像建立相机三维世界坐标系与机械手坐标系的转换关系, 通过三维坐标点建立齐次方程, 求解出最优齐次旋转矩阵(R)以及平移向量(T)。将RT齐次矩阵作为两坐标系的关键转换矩阵, 通过数学运算点坐标数据和最优转换矩阵即可得到坐标点在基于标签平面所约定坐标系中的三维坐标, 有助于完成机械手按诊位置的空间坐标转换和精准定位。以六芒星图为标签图, 基于所提出的方法, 通过仿真实验验证了本文所提方法有效性和准确性。
单目视觉 相机标定 中医诊疗机械手 三维坐标定位和变换 腧穴诊疗 monocular vision camera calibration traditional Chinese medicine diagnosis manipulator three-dimensional coordinate positioning and trans acupoint diagnosis and treatment
1 安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南23200
2 安徽理工大学 机械工程学院，安徽淮南3001
针对单目相机无法感知三维深度信息、双目立体视觉在被测物表面特征不明显时存在局限性以及PID控制器参数整定不理想等问题，将线结构光技术应用于柔性臂的振动检测，并利用细菌觅食算法优化的PID对其进行振动控制。首先搭建了线结构光视觉测振系统，建立了数学模型，完成了视觉标定，验证了该方法的可行性与准确性；然后利用细菌觅食算法对PID控制器进行了参数优化，与经验整定法进行了仿真效果对比；最后进行了柔性臂振动主动控制实验。实验结果表明，针对柔性臂的一阶模态振动，利用经验法整定的PID控制方法平均控制效果为25.65%，而利用细菌觅食算法优化的PID控制方法平均控制效果为39.32%，验证了细菌觅食算法优化PID控制器参数的优越性。
柔性机械臂 线结构光 PID控制 细菌觅食算法 双目立体视觉 flexible manipulator line structured light PID control bacterial foraging optimization algorithm binocular stereo vision 光学 精密工程
2021, 29(11): 2661
1 南京信息工程大学自动化学院, 南京 210044
2 化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室, 上海 200237
3 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044
4 中国电子科技集团公司第二十八研究所, 南京 210044
针对刚性机械臂有限时间鲁棒控制问题, 提出了一种新的自适应非奇异快速终端滑模控制方法。该方法将非奇异快速终端滑模控制与自适应律相结合, 使用非奇异快速终端滑模面加快机械臂轨迹跟踪误差的收敛速度, 解决了终端滑模中的奇异问题; 通过双曲正切函数代替符号函数减小控制输入的抖振; 利用自适应律对未知的外部扰动和系统的不确定性进行估计, 实现了在集总扰动未知情况下的轨迹跟踪。构造Lyapunov函数, 证明机械臂系统能够在有限时间内稳定收敛。最后二自由度机械臂仿真实验结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。
终端滑模控制 机械臂 轨迹跟踪 自适应律 有限时间收敛 terminal sliding mode control robot manipulator trajectory tracking adaptive law finite-time convergence
1 北京信息科技大学 1. 北京市光电测试技术重点实验室
2 光电测试技术及仪器教育部重点实验室， 北京 100192
为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量，提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法，螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时，光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法；制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样；搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统；实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下，螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律，并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明：螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°)，软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。
软体操作器 螺旋布设 光纤光栅 形状传感 soft manipulator spiral layout fiber grating shape sensing
1 北京信息科技大学 光电测试技术与仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
微创手术软体操作臂是微创外科和机器人领域的科学前沿和研究热点，对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体操作臂的状态测量问题，以直线型布设在软体操作臂中的光纤传感器，在柔性操作臂伸展和弯曲等运动时存在易断裂和可重复性差等问题，未能实现手术操作臂的闭环控制，限制了其手术应用。为此，提出了一种基于螺旋型光纤传感的软体操作臂状态测量方法，并对其传感特性进行了研究。不同于直线布设光纤的传感方法，螺旋型布设光纤的传感方法可以实现可伸缩软体操作臂的测量，防止光纤在软体操作臂中的错位，满足可伸缩弯曲软体操作臂的测量需求。通过理论分析气动驱动软体操作臂伸缩和弯曲的运动特性，利用光纤上刻写的布拉格光栅传感点，建立软体操作臂中螺旋型光纤光栅的传感模型，推导出光纤光栅中心波长漂移量和软体操作臂弯曲曲率之间的关系。最后，为了验证螺旋型光纤光栅在软体操作臂中的传感性能，对其传感灵敏度和稳定性等进行了实验测试。实验结果表明：提出的螺旋型光纤传感方法可实现操作臂伸长10%、弯曲角度达到180°时的状态测量，且操作臂理论弯曲角度和光纤传感的误差最大为9%，传感灵敏度可达12.55 pm/(°)，满足软体操作臂伸缩和各向弯曲操作时的测量需求。
光纤传感 可伸缩螺旋型 软体操作臂 状态测量 optical fiber sensing stretchable helical structure soft manipulator state measurement 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200276
山东大学(威海)机电与信息工程学院, 山东 威海 264209
为了实现水下机器人的推进装置具备空间姿态调整和大转矩的动力传递功能, 本文提出了UPR-UPU-UR矢量推进机构。首先, 运用螺旋理论计算了矢量推进机构的自由度, 基于解析法构建了矢量推进机构的位置模型。其次, 推导出了矢量推进机构的输出矢量和输入矢量之间的关系, 并采用粒子群优化算法对矢量推进机构进行了位置正解计算。然后, 基于矩阵分析法从速度雅克比矩阵和机构特征性角度研究了机构奇异性, 计算了矢量推进机构动平台的工作空间。最后, 搭建了UPR-UPU-UR矢量推进机构的实验平台, 并进行了试验研究。数值仿真和实验结果表明: 粒子群优化算例在绝对误差小于0.001°下可获得机构动平台的精确位姿, 机构的矢量推进性能实验值与理论值存在的最大误差为5%, 这证实了该机构具有良好的运动特性和推进性能。矢量推进机构是通过改变两条支链长度来调整螺旋桨的推力方向, 使机器人可以具备偏航、俯仰、横滚等多种运动模式, 有助于其实现复杂的水下运动。
矢量推进机构 并联机构 推进性能 螺旋理论 粒子群优化算法 vector propulsion mechanism parallel manipulator propulsive performance screw theory particle swarm optimization algorithm 光学 精密工程
2020, 28(10): 2276
1 燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
运动学标定是提高并联机构精度的重要途径。采用与辨识雅可比矩阵相关的可观测性指标最大化的方法选择测量位姿, 可以提高并联机构运动学标定对传感器测量噪声的鲁棒性。辨识雅可比矩阵是并联机构位移和姿态的函数, 但位移和姿态对应的辨识雅可比矩阵中的元素的数量级不同, 导致所选测量位姿的位移和姿态对测量噪音的鲁棒性不同。因此, 本文提出先对辨识雅可比矩阵进行无量纲化, 再通过可观测性指标选择测量位姿, 保证位移和姿态对测量噪音具有相同的鲁棒性, 进而提高标定精度。通过数值算例, 3种测量噪音下该方法标定的结构参数精度相对于传统方法均有大幅提高, 分别由1.007 5, 0.100 9, 0.010 1 mm提高到0.033 7, 0.033 7, 0.003 4 mm; 该方法标定的位置精度相对于传统方法基本不变, 但姿态精度有大幅提高, 分别由0.015 2°, 0.003 3°, 0.000 15°提高到0.003 3°, 0.000 3°, 0.000 033°。以该方法选取的测量位姿对Stewart并联机构进行标定试验, 标定前后位置和姿态的误差均值分别从2.321 mm和0246°降至0.242 mm和0.025°, 有效地提高了位姿精度。
并联机构 运动学标定 辨识雅可比矩阵 无量纲化 测量位姿 可观测性指标 parallel manipulator kinematic calibration identification jacobian matrix normalized measurement poses observability index
