發(fā)布時間：2017-12-18 17:33

  本文關鍵詞：冗余雙臂機器人在線運動規(guī)劃與協(xié)調操作方法研究

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【摘要】：傳統(tǒng)的非冗余自由度工業(yè)機械臂在工業(yè)現(xiàn)場、家庭服務等場合已經有了廣泛的應用,其控制系統(tǒng)結構和運動規(guī)劃方法簡單,但在實際的應用中,其靈活性有限,適合完成一些固定地、重復性地生產工作。為了拓展機械臂的應用領域,冗余機械臂以其優(yōu)越的靈活性,強大的適應性被廣大學者所研究。所謂冗余機械臂,即機械臂關節(jié)空間自由度大于任務空間所要表達的自由度。綜合考慮計算效率以及實際應用的靈活性需求,7自由度冗余機械臂成為了該領域的主要研究對象。在研究擬人化操作的過程中,以7自由度冗余機械臂構成的雙臂機器人也成為當前關于多機械臂協(xié)調控制研究領域的熱點。由于冗余自由度機械臂運動控制固有的復雜性,冗余機械臂的單臂運動控制以及雙臂協(xié)調控制研究水平一定程度上標志了一個國家的機械臂控制領域的學術地位。冗余機械臂相對于傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂具有更廣闊的應用前景,如避障、容錯、能量優(yōu)化等,它是下一代工業(yè)機械臂研究的重要方向。本文以冗余自由度機械臂為研究對象,以單臂在線運動規(guī)劃方法和雙臂協(xié)調控制策略為研究內容,針對在線運動規(guī)劃方法存在的約束模型不夠完善、優(yōu)化目標單一、求解速度容易受限等問題以及雙臂協(xié)調操作控制過程中力控制對模型的依賴問題開展相關研究。首先,重點介紹了冗余自由度單臂機器人運動規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀,分析了傳統(tǒng)的基于偽逆方法實現(xiàn)運動規(guī)劃時存在的不足,描述了在線運動規(guī)劃的優(yōu)點以及當前在線運動規(guī)劃方法中有待解決的問題。在現(xiàn)有的在線運動規(guī)劃方法的基礎上,設計了一個基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運動規(guī)劃模型。該模型有三個特點：其一,將在線運動規(guī)劃約束模型從當前的運動學層拓展至動力學層,其二,采用雙模態(tài)優(yōu)化目標解決機械臂在運動空間受限時的目標優(yōu)化問題,并結合傳統(tǒng)的最小二乘法,提出了一種改進型的雙模態(tài)在線優(yōu)化目標,解決機械臂經過奇異點的在線運動規(guī)劃問題。其三,將上述基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運動規(guī)劃模型轉化成一個非線性二次規(guī)劃問題,結合內點法的求解思想,綜合求解速度和求解精度,提出了一種適合工程應用的在線二次規(guī)劃問題的求解方法。其次,重點介紹了當前雙臂協(xié)調控制基本方法和基本理論以及雙臂協(xié)調操作過程中力控制約束模型,分析了傳統(tǒng)的基于阻抗控制方法由于對精確模型的依賴而造成的不足,建立了一種基于虛擬動力學模型的雙臂協(xié)調控制策略。該策略有以下優(yōu)點：其一,笛卡爾空間的運動規(guī)劃直接應用于機械臂關節(jié)空間的力控制,不需要進行復雜的逆運動學計算,同時可以避免姿態(tài)奇異問題的出現(xiàn)。其二,利用虛擬動力學模型進行控制的過程中,不需要考慮傳統(tǒng)的動力學模型中的非線性項,如重力,摩擦等。它是利用力傳感器實現(xiàn)在線反饋控制,減少協(xié)調控制對系統(tǒng)模型的依賴。第三,對當前國內外的機械臂控制系統(tǒng)軟硬件設計進行調研,描述了當前國內外關于機械臂控制系統(tǒng)軟硬件架構設計的基本方式,以及其存在的優(yōu)缺點。在此基礎之上,對項目自主研發(fā)的冗余自由度工業(yè)機械臂的軟硬件系統(tǒng)進行設計。采用Can總線星型網絡拓撲來連接機械臂的每個關節(jié)節(jié)點,搭建了Linux+RTAI實時運動控制系統(tǒng),構建了一套完整的雙臂機器人運動控制實驗平臺。最后,通過對比的仿真結果對上述提到的算法進行驗證,并在自主研發(fā)的雙臂機器人實驗平臺上開展相關實驗,包括機械臂標定、手眼協(xié)調、冗余機械臂在線運動規(guī)劃以及雙臂協(xié)調操作等,對詳細的實驗過程以及實際實驗取得的結果進行分析和討論,對實驗過程中出現(xiàn)的問題以及取得的成果進行總結,對當前研究提出的方法所具有的優(yōu)點以及缺點做進一步的闡述。綜上,本文對冗余機械臂控制以及雙臂協(xié)調控制提出了一整套的方法,并從仿真、實驗等角度驗證這些方法的有效性,為當前的冗余機械臂運動控制以及雙臂協(xié)調操作控制的基本方法研究提供了一個新的參考,并為當前冗余機械臂運動控制的工程化實現(xiàn)提供了新的思路。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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8 楊潔;居鶴華;;標準可加模糊行為系統(tǒng)的月球車運動規(guī)劃[J];控制工程;2010年S2期

9 李軍;劉桉;趙文濤;;一種四足機器人平面轉彎步行規(guī)劃[J];機械與電子;2012年11期

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1 居鶴華;崔平遠;崔祜濤;;基于自主行為智能體的月球漫游車運動規(guī)劃與控制[A];中國宇航學會深空探測技術專業(yè)委員會第一屆學術會議論文集[C];2005年

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3 張智煥;沈萌紅;;欠驅動兩足機器人的運動規(guī)劃綜述[A];全國先進制造技術高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動化與信息化技術研討會論文集[C];2010年

4 李偉;馬晨宇;陳祖舜;曹琦;;多自由度機器人的運動規(guī)劃[A];1996年中國智能自動化學術會議論文集（下冊）[C];1996年

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6 程平;孫茂相;袁曾任;王艷紅;;基于規(guī)則的移動機器人實時運動規(guī)劃[A];1996年中國智能自動化學術會議論文集（下冊）[C];1996年

7 王艷紅;楊宏;孫茂相;袁曾任;;移動機器人在非結構環(huán)境中的運動規(guī)劃[A];1995年中國智能自動化學術會議暨智能自動化專業(yè)委員會成立大會論文集（下冊）[C];1995年

8 陳偉;戈新生;;帶欠驅動關節(jié)平面三自由度桿的非完整運動規(guī)劃[A];數(shù)學·力學·物理學·高新技術研究進展——2006（11）卷——中國數(shù)學力學物理學高新技術交叉研究會第11屆學術研討會論文集[C];2006年

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1 劉培香邋記者 李麗云;機器人與人類較量足球指日可待[N];科技日報;2007年

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7 胡洪志;仿人步行機器人的運動規(guī)劃方法研究[D];中國人民解放軍國防科學技術大學;2002年

8 李�，�;基于廣義位姿距離的空間機器人運動規(guī)劃方法的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

9 趙建波;超鉸接無約束運動物體軌跡控制與運動規(guī)劃的研究[D];吉林大學;2005年

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本文編號：1305052