冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)及避障路徑規(guī)劃研究.pdf

1、冗余機(jī)械臂具有高度的靈活性、容錯(cuò)性與可靠性，利用它的自運(yùn)動(dòng)特性可以躲避障礙物、躲避奇異點(diǎn)、避關(guān)節(jié)限位、優(yōu)化關(guān)節(jié)力矩等性能指標(biāo)。本文針對(duì)我國(guó)未來(lái)空間站的七自由度冗余機(jī)械臂，研究冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異性分析以及避障路徑規(guī)劃，為我國(guó)空間站機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展提供理論支持，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，本文研究了一種基于奇異魯棒性逆的梯度投影法，解決了偽逆法在奇異構(gòu)形附近關(guān)節(jié)速度過(guò)大的問(wèn)題。采用奇異值分解分析了偽逆法在奇異構(gòu)形附近關(guān)節(jié)速度

2、超限的原因，引入奇異魯棒性逆解決了這一問(wèn)題，并將奇異魯棒性逆與梯度投影法融合，建立了基于奇異魯棒性逆的梯度投影法。為了減小數(shù)值計(jì)算帶來(lái)的誤差，將位姿誤差引入逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中。建立的冗余機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，不僅可以避免奇異構(gòu)形附近關(guān)節(jié)速度超限問(wèn)題，具有優(yōu)化性能指標(biāo)的能力，還具有較高的求解精度。利用SimMechanics工具箱建立了七自由度冗余機(jī)械臂的仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了算法的有效性。
　　其次，分析了七自由度冗余機(jī)械臂的奇異性。采用相關(guān)

3、旋量抑制的方法對(duì)七自由度冗余機(jī)械臂進(jìn)行了奇異性分析，推導(dǎo)出機(jī)械臂出現(xiàn)奇異的五種條件，并詳細(xì)分析每種條件，得到每種條件對(duì)應(yīng)的奇異構(gòu)形幾何特征，從構(gòu)形的幾何特征可以直接看出機(jī)械臂是否處于奇異構(gòu)形，并用圖解形式直觀地給出了每種條件對(duì)應(yīng)的一種奇異構(gòu)形。
　　再次，提出了一種改進(jìn)的bi-RRT*避障路徑規(guī)劃算法和基于平滑樣條的路徑平滑算法。為了解決RRT*算法規(guī)劃成功率低、收斂速度慢的問(wèn)題，在RRT*算法的基礎(chǔ)上，引入雙向搜索策略和基于三角

4、不等式的路徑優(yōu)化算法，提出了一種改進(jìn)的bi-RRT*算法。針對(duì)規(guī)劃路徑不光滑問(wèn)題，提出了基于平滑樣條的路徑平滑算法。仿真結(jié)果表明，無(wú)論在低維空間還是高維空間，在相同的規(guī)劃時(shí)間內(nèi)，改進(jìn)的bi-RRT*算法具有更高的規(guī)劃成功率，能夠更快收斂于最優(yōu)路徑代價(jià)；經(jīng)基于平滑樣條的路徑平滑算法處理的路徑，不僅能保證機(jī)械臂與障礙物之間無(wú)碰撞，而且能使路徑更平滑，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。
　　最后，在基于氣浮平臺(tái)的空間機(jī)械臂地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，將七自由度機(jī)