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一种基于广义四元数和Clifford代数的数学方法,用于实现并联机器人中的多级重组变换。 (英语) Zbl 1475.70004号

摘要:机器人操纵器是运动副、移动平台和/或工具的网络化组合,在其末端执行器处产生运动和力。机械手的理论动力学、运动学和工作空间能力取决于其运动副的设计参数(质量、几何、尺寸等)及其结构(肢体数量、自由度、驱动能力等)。通过从设计角度或物理角度调整或更改机械手的参数(包括与结构和运动对相关的参数),机器人将经历作者广义上所说的“重组变换”。通过在机器人上进行重组变换,我们可以在工作空间、运动学和动力学能力方面为特定任务操作产生所需的变化。这项工作提出了一种新的方法,该方法结合了四元数转子、拉格朗日公式、几何代数和相关的数学仪器,以解决分析和建模经历这种“重组变换”的机器人机械手或机构的问题。在提出基于四元数的位置、运动学和拉格朗日动力学方法论的基础上,介绍并详细说明了重组变换类型。在两个单独的案例研究中,我们将重组变换应用于Delta机械手,每个案例都对变换后的机器人在其选定的任务操作中的动态能力进行了独特的目标更改。本文提出的框架是广义的,其方法可用于分析和变换任何并联机器人,也可扩展到研究非线性方程组,以建模多体动力学。

MSC公司:

70B15号机组 机构和机器人运动学
70小时03 拉格朗日方程
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Abłamowicz,R.,Sobczyk,G.(编辑):克利福德(几何)代数与应用讲座,第8-93页。Birkhäuser,波士顿(2004年)·Zbl 1058.15033号
[2] 阿肯,Y。;马登,F。;Korkmaz,K。;Cruz,P.,《通过机构、结构和建筑的运动综合设计自适应结构:概念、应用和挑战》,976-982(2013),伦敦:Taylor和Francis,伦敦·doi:10.1201/b15267-138
[3] Altmann,S.,《旋转、四元数和双群》,202-215(1986),纽约:多佛出版社,纽约·Zbl 0683.20037号
[4] Alvarado,R.R.,Castañeda,E.C.:基于HEXA并联机器人的运动学冗余并联机器人的类型综合。摘自:IFToMM机器人机构设计研讨会,第227-234页。查姆施普林格(2018)
[5] Bayro-Corrochano,E.:几何代数应用第一卷:计算机视觉、图形和神经计算,第255-357页。查姆施普林格(2018)·Zbl 1475.68004号
[6] Bayro-Corrochano,E。;Kähler,D.,计算机器人操纵器运动学的电机代数方法,J.robot。系统。,17, 9, 495-516 (2000) ·Zbl 0961.70003号 ·doi:10.1002/1097-4563(200009)17:9<495::AID-ROB4>3.0.CO;2-S型
[7] Bayro-Corrochano,E。;Zamora-Esquivel,J.,使用保角几何代数的机器人装置的微分和逆运动学,Robotica,25,1,43-61(2007)·doi:10.1017/S0263574706002980
[8] Bayro-Corrochano,E。;Danilidis,K。;Sommer,G.,《3D运动学的运动代数:手眼校准案例》,J.Math。成像视觉。,13, 2, 79-100 (2000) ·Zbl 0969.68645号 ·doi:10.1023/A:1026567812984
[9] Bayro-Corrochano,E。;雷耶斯·洛扎诺,L。;Zamora-Esquivel,J.,机器人视觉的共形几何代数,J.数学。成像视觉。,24,1,55-81(2006年)·Zbl 1478.68394号 ·doi:10.1007/s10851-005-3615-1
[10] 比约肯斯坦,S。;Leyendecker,S。;林恩,J。;JS卡尔森;Lennartson,B.,多体系统离散几何力学的逆动力学及其在直接最优控制中的应用,J.Comput。非线性动力学。,13, 10, 101001 (2018) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4040780
[11] Blanco,J.L.:SE(3)变换参数化和流形优化教程。马拉加大学,技术报告3(6),1-56(2010)
[12] DI卡伦图;Moreno,R.,垂直跳跃运动的人类膝盖逆动力学模型,J.Compute。非线性动力学。,2019年10月14日·doi:10.1115/1.4044246
[13] A.卡斯塔诺。;Behar,A。;Will,PM,可重构机器人的Conro模块,IEEE/ASME Trans。机电一体化。,7, 4, 403-409 (2002) ·doi:10.1109/TMECH.2002.806233
[14] Clifford,WK,《双四元数初步草图》,Proc。伦敦。数学。伦敦证券交易所。,64, 4, 381-395 (1873) ·JFM 05.0280.01号
[15] Da,X。;Ackerman,J。;Seipel,J.,《弹性悬挂载荷下多频步行机器人运动的能量和动力学分析》,J.Compute。非线性动力学。,9, 2, 021006 (2014) ·数字标识代码:10.1115/1.4024778
[16] 戴,JS;Jones,JR,可折叠/可竖立类型变质机制中的流动性,J.Mech。设计,121,375-382(1999)·数字对象标识代码:10.1115/12829470
[17] 多兰,C。;Lasenby,A.,《物理学家几何代数》,1-52(2003),剑桥:剑桥大学出版社,剑桥·Zbl 1078.53001号 ·doi:10.1017/CBO9780511807497
[18] 杜阿迪,L。;斯皮内洛(D.Spinello)。;Gueaieb,W.,《受限环境检测用平面多体移动机器人的动力学和控制》,J.Compute。非线性动力学。,10, 1, 011005 (2015) ·doi:10.115/1.4027303
[19] F.González。;马萨拉蒂,P。;库阿德拉多,J。;Naya,MA,多体动力学公式线性化方法评估,J.Compute。非线性动力学。,12, 4, 041009 (2017) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4035410
[20] 古拉斯米,M。;Gouasmi,B。;Ben-Ahmed-Dahou,M.,《双四元数机器人:A)3R平面机械手》,J.Rehabil.Robot。,6, 8-21 (2018) ·doi:10.12970/2308-8354.2018.06.02
[21] Gunn,C.G.:射影几何代数:欧几里德几何的新框架。arXiv预印本arXiv:1901.05873(2019)
[22] Henderson,D.M.:用于航天飞机分析的欧拉角、四元数和变换矩阵。McDonnell-Douglas技术服务公司,休斯顿,A-11(1977)
[23] 赫斯特内斯,D。;Sobczyk,G.,《克利福德代数到几何微积分》,1-41(1984),多德雷赫特:D.Reidel,Dordrecht·Zbl 0541.53059号 ·doi:10.1007/978-94-009-6292-7
[24] 卡利塔,B。;Dwivedy,SK,硬激励气动人工肌肉非线性动力学的数值研究,J.Compute。非线性动力学。,15, 4, 041003 (2020) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4046246
[25] Kamimura,A。;Yoshida,E。;Murata,S。;黑川浩,H。;Tomita,K。;Kokaji,S。;Asama,H。;Arai,T。;福田,T。;长谷川,T.,《自配置模块化机器人(MTRAN)硬件和运动规划软件》,分布式自治机器人系统,17-26(2002),东京:施普林格,东京·doi:10.1007/978-4-431-65941-93
[26] Kenwright,B.:双四元数入门指南:它们是什么,如何工作,以及如何将它们用于3D角色层次结构。收录于:WSCG 2012年通讯录,第1-10页(2012年)
[27] Lastinger,M.C.,Verma,S.,Kapadia,A.D.,Walker,I.D.:树:可变拓扑,分支连续机器人。2019年机器人与自动化国际会议(ICRA),第5365-5371页(2019年)
[28] 李毅。;季军(Ji,J.)。;郭,S。;Xi,FJ,带柔性接头的移动机器人冲击铆接系统的工艺参数优化,J.Compute。非线性动力学。,12, 6, 061005 (2017) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4036196
[29] 李·G。;张,F。;Fu,Y。;Wang,S.,使用双四元数对串行机器人进行运动学校准,工业机器人,46,247-258(2019)·doi:10.1108/IR-10-2018-0221
[30] López-Martínez,J。;García-Vallejo,D。;Giménez-Fernández,A。;Torres-Moreno,JL,用于实验验证和设计参数分析的安全机器人手臂的柔性多体模型,J.Compute。非线性动力学。,9, 1, 011003 (2014) ·doi:10.115/1.4025285
[31] 密歇根州Lourakis,levmar实现的Levenberg-Marquardt算法的简要描述,Found。技术研究。,4, 1, 1-6 (2005)
[32] Lyu,G。;Liu,R.,约束机械系统动力学仿真中约束违反的误差控制,J.Compute。非线性动力学。,14, 3, 031008 (2019) ·doi:10.1115/1.4042493
[33] 麦卡锡,JM;阿勒斯,S。;霍勒巴赫,JM;Koditscheck,D.,使用工作空间的双四元数公式进行机器人的尺寸合成,机器人研究,3-8(2000),伦敦:施普林格,伦敦·doi:10.1007/978-1-4471-0765-1_1
[34] Moré,JJ,《Levenberg-Marquardt算法:实现与理论》。《数值分析》,105-116(1978),柏林:施普林格,柏林·Zbl 0372.65022号
[35] Murata,S。;Kurokawa,H.,自重构机器人,IEEE机器人。自动。Mag.,14,71-78(2007)·doi:10.1109/MRA.2007.339607
[36] Parwana,H.,Kothari,M.:四元数和姿态表示。arXiv预印arXiv:1708.08680(2017)
[37] Patnaik,S。;Semperlotti,F.,《通过可变阶分数算子模拟离散系统中的接触和滞后行为》,J.Compute。非线性动力学。,15, 9, 091008 (2020) ·doi:10.1115/1.4046831
[38] Ryan,PS;南卡罗来纳州巴克斯特;Voglewede,PA,使用多项式混沌理论和变分功自动推导具有不确定性的多体动力学系统的运动方程,J.Compute。非线性动力学。,15, 1, 011004 (2020) ·doi:10.1115/1.4045239
[39] Salemi,B.,Moll,M.,Shen,W.M.:SUPERBOT:一种可部署、多功能和模块化的自配置机器人系统。摘自:2006 IEEE/RSJ智能机器人和系统国际会议,第3636-3641页(2006)
[40] Sarabandi,S.、Grosch,P.、Porta,J.M.、Thomas,F.:一种可重构非对称3-UPU并联机器人。在:2018年可重构机构和机器人国际会议(ReMAR),第1-8页(2018)
[41] 塞利格,JM;Bayro-Corrochano,E.,使用Clifford代数的刚体动力学,高级应用。克利福德代数,20,1,141-154(2010)·Zbl 1252.70018号 ·doi:10.1007/s00006-008-0144-1
[42] AM沙菲;Shafei,人力资源,地面碰撞平面多分支开环机器人,计算机J。非线性动力学。,12, 6, 061003 (2017) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4036197
[43] 沙马斯,E。;Asmar,D.,粘性环境中欠驱动平面机器人的运动规划,J.Compute。非线性动力学。,10, 5, 051002 (2015) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4029509
[44] 西西里亚诺,B。;Khatib,O.,《施普林格机器人手册》,9-31(2016),商会:施普林格,商会·Zbl 1357.93001号 ·doi:10.1007/978-3-319-32552-1
[45] Tan,X。;陈,G。;Shao,H.,基于LuGre摩擦模型的球面间隙关节空间柔性机械系统建模与分析,J.Compute。非线性动力学。,15, 1, 011005 (2020) ·doi:10.1115/1.4045240
[46] Tanev,TK;勒纳尔奇奇,J。;温格,P.,《有限机动性并联机器人奇异性的几何代数方法》,《机器人运动学进展:分析与设计》,39-48(2008),多德雷赫特:施普林格·doi:10.1007/978-14020-8600-75
[47] Thiruvengadam,S。;Miller,K.,基于几何代数的机器人机械手静力学和运动学高维近似方法,Adv.Appl。克利福德代数,30,1,17(2020)·Zbl 1448.7008号 ·数字对象标识代码:10.1007/s00006-019-1039-z
[48] Thomas,F.,从矩阵代数逼近对偶四元数,IEEE Trans。机器人。,30, 1037-1048 (2014) ·doi:10.1109/TRO.2014.2341312
[49] 田,C。;方,Y。;Ge,QJ,带耦合子链的并联机器人结构综合,机械。机器。理论。,118, 84-99 (2017) ·doi:10.1016/j.机械原理.2017.07.014
[50] Tsai,LW,《机器人分析:串联和并联机械手的力学》,116-424(1999),纽约:威利出版社,纽约
[51] Vucina,D。;Freudenstein,F.,《图论和非线性规划在机构运动综合中的应用》,机械。机器。理论。,26, 553-563 (1991) ·doi:10.1016/0094-114X(91)90038-6
[52] Weisstein,E.W.:点-线距离-三维。摘自MathWorld-A Wolfram Web Resource(2002)。http://mathworld.wolfram.com/Point-LineDistance3-Dimensional.html
[53] Williams,R.L.,Robert,L.:三角洲并联机器人:运动学解决方案。俄亥俄大学机械工程,第1-15页(2016)
[54] Yim,M.,《模块化自配置机器人系统:未来的挑战和机遇》,IEEE robot。自动。Mag.,10,2-11(2007年)
[55] Yim,M.,Duff,D.G.,Roufas,K.D.:PolyBot:模块化可重构机器人。载于:2000年ICRA会议记录。千年会议。IEEE机器人与自动化国际会议。《专题讨论会论文集》,第1卷,第514-520页(2000年)
[56] Yim,M。;鲁法斯,K。;达夫,D。;Zhang,Y。;Eldershaw,C。;Homans,S.,空间应用中的模块化可重构机器人,Auton。机器人,14,2-3,225-237(2003)·Zbl 1009.68532号 ·doi:10.1023/A:1022287820808
[57] Zamora-Esquivel,J。;Bayro-Corrochano,E.,《使用共形几何代数框架的机器人感知和处理动作》,高级应用。克利福德代数,20,3-4,959-990(2010)·Zbl 1281.15023号 ·doi:10.1007/s00006-010-0232-x
[58] 扎鲁克,D。;Yehezkel,L.,Rising STAR:一种高度可重构的伸展调谐机器人,IEEE robot。自动。莱特。,3, 1888-1895 (2018) ·doi:10.1109/LRA.2018.2805165
[59] Zelei,A。;Bencsik,L。;Stépán,G.,《将致动器饱和视为欠驱动:机器人服务机器人案例研究》,J.Compute。非线性动力学。,12, 3, 031011 (2017) ·数字对象标识代码:10.1115/1.4034868
[60] Zsombor-Murray,PJ,《Clavel三角机器人的描述性几何运动学分析》(2004),美国:美国麦吉尔大学智能机器中心
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