面向任務(wù)的全維移動雙臂機器人運動規(guī)劃方法研究.pdf

1、全維輪式移動雙臂機器人可模擬人類上肢操作能力,且具有平面靈活運動能力。雙臂與移動基的配置,極大的增加了機器臂的操作能力、靈活性和適應(yīng)性,隨之而來的是其規(guī)劃與控制的難度增加。機器人結(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)描述方法過于復(fù)雜,面向笛卡爾空間或更加抽象簡潔的任務(wù)描述方式較為適合,為此,實現(xiàn)任務(wù)空間至關(guān)節(jié)空間映射的運動規(guī)劃算法設(shè)計十分重要。本文以日本安川電機設(shè)計的SmartPal全維移動雙臂服務(wù)機器人系統(tǒng)為對象,以實現(xiàn)任務(wù)空

2、間至關(guān)節(jié)空間映射為目的。主要研究面向兩類典型任務(wù)的運動規(guī)劃求解問題,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)兩類典型形式。前者實際為逆運動學(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)運動約束與環(huán)境約束的中間運動過程。為深入分析與理解研究對象的運動學(xué)與動力學(xué)特性,本文首先以SmartPal機器人為原型的OMDAR系統(tǒng)為對象,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)的運動學(xué)與動力學(xué)計算模型與相關(guān)公式。其中推廣了樹形多體系二階加速度旋量的解析表達式和經(jīng)典李括號運算,并建立了相應(yīng)的計算公式。利用運動旋量與力旋量對偶積的瞬時功率意義,結(jié)合一階狀態(tài)變分的Jourdain變分動力學(xué)原理,詳細分析并建立了一種直接反應(yīng)系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的動力學(xué)建模方法,建模過程所得中間結(jié)果可推廣為旋量形式的凱恩多剛體動力學(xué)方程,該方法可推廣至任意樹形拓撲多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模與研究。利用該方法建立的多體系統(tǒng)動力學(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)中各部分之間的動力學(xué)耦合關(guān)系,及其編碼計算。OMDAR系統(tǒng)中存在對等功能部件,如左右臂,同時各部件存在相同的運動要求,例如桿件避碰,另外為了優(yōu)化系統(tǒng)運動性能,在運動規(guī)劃方法設(shè)計中,需要同時兼顧不同類型、量綱、幅值的多重系統(tǒng)運動性能優(yōu)化目標(biāo)。通過分析對象、任務(wù)和問題本身的特點與要求,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,描述運動規(guī)劃求解任務(wù),同時建立了適用于積式?jīng)Q策應(yīng)用的約束

5、處理方法,即將約束優(yōu)化向無約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化的商式外點罰函數(shù)法。針對目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜局部峰值結(jié)構(gòu)特性,參考無需目標(biāo)函數(shù)導(dǎo)數(shù)運算的單純形優(yōu)化算法,并借鑒粒子群隨機進化算法具備較強局部極值逃逸能力的優(yōu)點,采用高斯隨機采樣構(gòu)建模擬單純形頂點的粒子群,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

6、的缺陷。在研究連續(xù)軌跡任務(wù)運動規(guī)劃方法過程中,基于OMDAR系統(tǒng)本身特點、機器人運動學(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)定性優(yōu)化等規(guī)劃目標(biāo)的建模、優(yōu)化實現(xiàn)方法,仿真實例研究驗證了所提積式?jīng)Q策模型與求解方法的可行性。避障方法采用校正機器人桿件碰撞危險點速度矢量在自危險點指向障礙最近點矢量上的投影大小來實現(xiàn)。所提避奇異方法為適用于冗余和非冗余機器人的在線奇異規(guī)避通用方法。以移動雙臂

7、機器人系統(tǒng)為對象,本文詳細研究了移動機器人系統(tǒng)廣義動力學(xué)模型,并進一步分析了移動機器人支撐穩(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,利用動態(tài)載荷旋量與支撐邊界虛擬旋量的對偶積,建立了移動機器人無傾覆約束條件,為提高移動多臂機器人支撐穩(wěn)定性,以增大ZMP點距支撐邊界距離為間接目的,基于無傾覆約束和支撐域邊界幾何封閉特性,提出了一種移動機械臂系統(tǒng)在線提高穩(wěn)定性的新方法。針對OMDAR系統(tǒng)離散位形約束任務(wù),首先在R

8、RT類規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上,設(shè)計了改進的LMEC-RRT算法,仿真對比實驗結(jié)果表明,LMEC-RRT算法具備高效和高成功率優(yōu)點。在實現(xiàn)一般離散任務(wù)規(guī)劃的LMEC-RRT算法基礎(chǔ)上,設(shè)計了可實現(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)作搬運規(guī)劃應(yīng)用為例,驗證了方法的可行性。然后針對RRT類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題,以時基參數(shù)曲線模型為基礎(chǔ),通過建立積式多目標(biāo)優(yōu)化模型,并以GR-PS