面向任務(wù)的全維移動(dòng)雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究.pdf

1、全維輪式移動(dòng)雙臂機(jī)器人可模擬人類(lèi)上肢操作能力,且具有平面靈活運(yùn)動(dòng)能力。雙臂與移動(dòng)基的配置,極大的增加了機(jī)器臂的操作能力、靈活性和適應(yīng)性,隨之而來(lái)的是其規(guī)劃與控制的難度增加。機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度數(shù)目多,基于關(guān)節(jié)空間定義的任務(wù)描述方法過(guò)于復(fù)雜,面向笛卡爾空間或更加抽象簡(jiǎn)潔的任務(wù)描述方式較為適合,為此,實(shí)現(xiàn)任務(wù)空間至關(guān)節(jié)空間映射的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法設(shè)計(jì)十分重要。本文以日本安川電機(jī)設(shè)計(jì)的SmartPal全維移動(dòng)雙臂服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)為對(duì)象,以實(shí)現(xiàn)任務(wù)空

2、間至關(guān)節(jié)空間映射為目的。主要研究面向兩類(lèi)典型任務(wù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃求解問(wèn)題,所研究的規(guī)劃任務(wù)為連續(xù)軌跡任務(wù)和離散位形約束任務(wù)兩類(lèi)典型形式。前者實(shí)際為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃求解,后者僅定義起始、終止位形約束,要求系統(tǒng)自主規(guī)劃滿足兩端位形約束、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)約束與環(huán)境約束的中間運(yùn)動(dòng)過(guò)程。為深入分析與理解研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性,本文首先以SmartPal機(jī)器人為原型的OMDAR系統(tǒng)為對(duì)象,以旋量理論的李群與李代數(shù)表示形式為工具,基于旋量左不變表示形式,系統(tǒng)建立

3、了OMDAR系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型與相關(guān)公式。其中推廣了樹(shù)形多體系二階加速度旋量的解析表達(dá)式和經(jīng)典李括號(hào)運(yùn)算,并建立了相應(yīng)的計(jì)算公式。利用運(yùn)動(dòng)旋量與力旋量對(duì)偶積的瞬時(shí)功率意義,結(jié)合一階狀態(tài)變分的Jourdain變分動(dòng)力學(xué)原理,詳細(xì)分析并建立了一種直接反應(yīng)系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的動(dòng)力學(xué)建模方法,建模過(guò)程所得中間結(jié)果可推廣為旋量形式的凱恩多剛體動(dòng)力學(xué)方程,該方法可推廣至任意樹(shù)形拓?fù)涠鄤傮w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與研究。利用該方法建立的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模

4、型具有幾何意義清晰的緊湊矩陣分塊結(jié)構(gòu),便于分析系統(tǒng)中各部分之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系,及其編碼計(jì)算。OMDAR系統(tǒng)中存在對(duì)等功能部件,如左右臂,同時(shí)各部件存在相同的運(yùn)動(dòng)要求,例如桿件避碰,另外為了優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能,在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法設(shè)計(jì)中,需要同時(shí)兼顧不同類(lèi)型、量綱、幅值的多重系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)分析對(duì)象、任務(wù)和問(wèn)題本身的特點(diǎn)與要求,本文分析并確定了采用積式?jīng)Q策多目標(biāo)約束優(yōu)化求解模型,描述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃求解任務(wù),同時(shí)建立了適用于積式?jīng)Q策應(yīng)用的約束

5、處理方法,即將約束優(yōu)化向無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化的商式外點(diǎn)罰函數(shù)法。針對(duì)目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜局部峰值結(jié)構(gòu)特性,參考無(wú)需目標(biāo)函數(shù)導(dǎo)數(shù)運(yùn)算的單純形優(yōu)化算法,并借鑒粒子群隨機(jī)進(jìn)化算法具備較強(qiáng)局部極值逃逸能力的優(yōu)點(diǎn),采用高斯隨機(jī)采樣構(gòu)建模擬單純形頂點(diǎn)的粒子群,提出了具備全局優(yōu)化性能的高斯巡游粒子群優(yōu)化(GaussianRoveringParticalSwarmOptimization,GR-PSO)算法,以克服基于局部梯度信息迭代尋優(yōu)算法易收斂于局部極值點(diǎn)

6、的缺陷。在研究連續(xù)軌跡任務(wù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法過(guò)程中,基于OMDAR系統(tǒng)本身特點(diǎn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、應(yīng)用要求,以及確立的積式多目標(biāo)優(yōu)化求解模型,分別研究并提出了避障、避奇異、避傾覆及支撐穩(wěn)定性?xún)?yōu)化等規(guī)劃目標(biāo)的建模、優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法,仿真實(shí)例研究驗(yàn)證了所提積式?jīng)Q策模型與求解方法的可行性。避障方法采用校正機(jī)器人桿件碰撞危險(xiǎn)點(diǎn)速度矢量在自危險(xiǎn)點(diǎn)指向障礙最近點(diǎn)矢量上的投影大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。所提避奇異方法為適用于冗余和非冗余機(jī)器人的在線奇異規(guī)避通用方法。以移動(dòng)雙臂

7、機(jī)器人系統(tǒng)為對(duì)象,本文詳細(xì)研究了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)廣義動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)一步分析了移動(dòng)機(jī)器人支撐穩(wěn)定性的嚴(yán)格定義及其保持支撐穩(wěn)定性的必要條件。以多邊形近似描述支撐域,利用動(dòng)態(tài)載荷旋量與支撐邊界虛擬旋量的對(duì)偶積,建立了移動(dòng)機(jī)器人無(wú)傾覆約束條件,為提高移動(dòng)多臂機(jī)器人支撐穩(wěn)定性,以增大ZMP點(diǎn)距支撐邊界距離為間接目的,基于無(wú)傾覆約束和支撐域邊界幾何封閉特性,提出了一種移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)在線提高穩(wěn)定性的新方法。針對(duì)OMDAR系統(tǒng)離散位形約束任務(wù),首先在R

8、RT類(lèi)規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了改進(jìn)的LMEC-RRT算法,仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LMEC-RRT算法具備高效和高成功率優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)一般離散任務(wù)規(guī)劃的LMEC-RRT算法基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)雙臂閉式鏈約束的離散任務(wù)規(guī)劃LMEC-RRT算法,以雙臂協(xié)作搬運(yùn)規(guī)劃應(yīng)用為例,驗(yàn)證了方法的可行性。然后針對(duì)RRT類(lèi)算法固有的以微小線段連接離散位形,所形成的規(guī)劃路徑存在光滑性缺陷問(wèn)題,以時(shí)基參數(shù)曲線模型為基礎(chǔ),通過(guò)建立積式多目標(biāo)優(yōu)化模型,并以GR-PS