全方位移動操作機器人及其運動規(guī)劃與導(dǎo)航研究.pdf

1、移動操作臂是集行走和操作功能于一體的復(fù)雜機器人系統(tǒng)，是機器人研究領(lǐng)域的一個熱點，該機構(gòu)有較好的操作靈活性和工作空間的廣闊性。它和單個系統(tǒng)相比有廣闊的應(yīng)用前景，同時有著重要的理論研究意義。而目前在移動操作機器人的研究中存在定位不準(zhǔn)確，無法建立移動操作機器人精確的動力學(xué)模型、難以找到有效的移動平臺與機械臂間動力耦合辨識方法、難以得到一個較優(yōu)的冗余度機器人運動規(guī)劃方法等諸多不足。為解決移動操作機器人面臨的難題，本文研制了全方位移動操作機器人(

2、ODMM)及超聲波絕對定位系統(tǒng)，并開展ODMM運動學(xué)動力學(xué)分析、全方位移動平臺與操作臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃、避障導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等研究。
　　首先，將全方位移動平臺與操作臂結(jié)合，研制的ODMM具有全方位移動和可零半徑回轉(zhuǎn)的功能；為解決其定位精度難題，針對超聲波傳播的特點進行信息融合，提出基于冗余超聲波信息融合的超聲波絕對定位方法，提高超聲波絕對定位的精度，并配合超聲波避障模塊與數(shù)字羅盤技術(shù)，實現(xiàn)ODMM的避障導(dǎo)航功能。本文提出了2種避障導(dǎo)航

3、算法：一種為基于超聲波絕對定位的ODMM導(dǎo)航算法，這個算法有避障與奔向目標(biāo)這兩個策略；另一個為基于超聲波絕對定位的模糊避障導(dǎo)航算法。后一種避障導(dǎo)航算法中，模糊規(guī)則是根據(jù)人駕車的先驗知識建立的，該避障導(dǎo)航算法提高了ODMM的環(huán)境適應(yīng)能力與避障導(dǎo)航能力，仿真及實驗證明避障導(dǎo)航算法的有效性和可行性。
　　接著，研究ODMM運動學(xué)，并進行正逆運動學(xué)分析。由于ODMM是7-DOF冗余度機器人，在運動學(xué)逆解時，僅能得到一些量的約束關(guān)系而無法得

4、到有效解。為獲得有效解，必須添加一些約束方程或優(yōu)化指標(biāo)，這為后續(xù)運動規(guī)劃及控制奠定了基礎(chǔ)。并采用拉格朗日方法建立ODMM動力學(xué)模型，進行動力學(xué)仿真，在仿真中研究ODMM的運動速度、加速度與耦合力間的關(guān)系。
　　然后對ODMM的全方位移動平臺進行運動模式分析，并重點研究ODMM的全方位移動平臺與操作臂協(xié)調(diào)運動的功能。針對ODMM的全方位移動平臺與操作臂協(xié)調(diào)運動提出了2種運動規(guī)劃方法：其一為基于絕對定位的實時運動規(guī)劃與控制，該運動規(guī)劃

5、是在ODMM運動學(xué)逆解時，添加一項約束得到有效解；另一種采用種群范圍自調(diào)整遺傳算法，來優(yōu)化ODMM關(guān)節(jié)角變化的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃，該方法很好地解決了冗余度機器人逆運動學(xué)求解問題，并充分利用冗余度機器人的運動靈活性進行運動優(yōu)化。改進遺傳算法在ODMM關(guān)節(jié)角變化優(yōu)化的效率比傳統(tǒng)的遺傳算法高，仿真實驗證明該協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法的正確性與高效性。同時在基于改進遺傳算法的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃的基礎(chǔ)上研究了軌跡運動規(guī)劃問題，并進行ODMM末端空間曲線圓運動規(guī)劃仿真，

6、仿真結(jié)果表明該協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法是正確有效的。
　　再次ODMM的路徑規(guī)劃也為本文研究的一個關(guān)鍵技術(shù)，它通常分為全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃。針對局部路徑規(guī)劃中人工勢場法存在的不足，提出了基于遺傳算法優(yōu)化改進人工勢場法的全方位移動操作機器人路徑規(guī)劃方法。該方法比傳統(tǒng)的人工勢場法的路徑規(guī)劃精度更好、更合理，隨后的仿真實驗結(jié)果證明該路徑規(guī)劃方法的有效性與合理性。
　　最后，建立ODMM的硬件實驗系統(tǒng)，進行ODMM典型軌跡運動實驗與運

7、動精度實驗，全方位移動平臺與操作臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃實驗，ODMM基于絕對定位的糊避障導(dǎo)航實驗。實驗結(jié)果證明了ODMM設(shè)計的合理性，驗證了ODMM絕對定位的有效性，運動規(guī)劃的合理性，避障導(dǎo)航算法的有效性。在結(jié)尾處指出了本文研究的不足之處，并對后續(xù)的工作作出了展望。
　　本文研制ODMM及超聲波絕對定位系統(tǒng)，建立ODMM運動學(xué)動力學(xué)模型，發(fā)展了ODMM定位、導(dǎo)航、運動規(guī)劃和路徑規(guī)劃技術(shù)，為進一步深入研究ODMM和使ODMM進入實際應(yīng)用奠定