冗余雙臂機器人協(xié)調作業(yè)系統(tǒng)研究.pdf

1、冗余雙臂機器人是機器人研究領域中的一個前沿課題。特別是隨著單臂機器人在操作能力、控制等方面的局限性不斷凸顯，擁有協(xié)調操作能力的冗余雙臂機器人的研究受到了越來越多的關注。然而由于協(xié)調操作的雙臂之間存在著復雜的運動學和動力學約束關系，冗余雙臂機器人的控制和分析具有相當?shù)碾y度。本文針對冗余雙臂機器人的協(xié)調作業(yè)任務，系統(tǒng)地研究了冗余雙臂機器人運動學和動力學的相關問題，主要包括以下五個方面內(nèi)容：
　　(1)針對單個冗余機械臂的避障規(guī)劃問題，

2、提出了基于主從任務轉化的避障算法。該方法將冗余機械臂避障運動的3維操作空間縮減為1維的運動空間，引入了2個轉換變量，可以根據(jù)得到的實時最小距離的變化，實現(xiàn)機械臂末端的軌跡跟蹤運動和避障運動之間的主從任務優(yōu)先級轉換。通過仿真實驗證明了該方法在冗余機械臂的避障規(guī)劃中具有良好的效果，不僅能實現(xiàn)冗余機械臂的避障，而且能避免任務之間的沖突。
　　(2)對冗余雙臂機器人協(xié)調操作的運動學規(guī)劃問題進行了研究，引入了用于描述協(xié)調操作任務的絕對位姿變

3、量和相對位姿變量，構造出了對應于協(xié)調操作任務的雅可比矩陣，得到了冗余雙臂機器人的運動學逆解，使得冗余雙臂機器人能夠實現(xiàn)協(xié)調操作任務。結合單臂機器人的避障算法原理，提出了冗余雙臂機器人協(xié)調操作的避障規(guī)劃算法。通過仿真驗證了冗余雙臂機器人協(xié)調操作的避障規(guī)劃算法的有效性。
　　(3)利用基于解耦的自然正交補的動力學遞推建模方法，對多自由度機器人的動力學建模問題進行了研究。通過引入解耦的自然正交補的概念和方法，消除了牛頓-歐拉動力學方程中

4、的約束力項，并利用旋量來表示相關的運動學和動力學變量，提出了一種基于解耦的自然正交補的高效率反向動力學遞推建模方法。針對單臂冗余機器人系統(tǒng)和冗余雙臂機器人的開環(huán)系統(tǒng)，分別編制了反向動力學建模程序，并與仿真軟件 ADAMS得到的仿真結果進行了對比，驗證了該方法的可靠性和高效性。
　　(4)研究了構成閉環(huán)系統(tǒng)的冗余雙臂機器人協(xié)調作業(yè)系統(tǒng)的載荷分配問題和動力學優(yōu)化問題。利用機器人雙臂之間的運動學和動力學約束關系，提出了一種無內(nèi)力的載荷分

5、配方法。通過機械臂的動力學特性，并利用冗余雙臂協(xié)調系統(tǒng)的自運動特性，以驅動力矩的優(yōu)化為目的，實現(xiàn)了系統(tǒng)的動力學性能優(yōu)化。
　　(5)根據(jù)冗余雙臂機器人系統(tǒng)的三維結構模型，采用多體動力學仿真分析軟件ADAMS建立了系統(tǒng)整體的虛擬樣機系統(tǒng)。面向協(xié)調搬運任務和協(xié)調裝配任務，對與雙臂協(xié)調操作有關的任務分解，雙臂的任務分配等問題，在虛擬樣機系統(tǒng)中進行了數(shù)值仿真和分析，為物理樣機的設計和操作提供了參考。
　　本文所研究的避障規(guī)劃、雙臂協(xié)