全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人具有平面移動(dòng)靈活性和可模擬人類上肢操作的特點(diǎn)，是服務(wù)機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)前沿應(yīng)用課題，在家政服務(wù)、餐廳接待、賓客導(dǎo)引等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
　　 由于全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人工作環(huán)境具有動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)性，機(jī)器人必須具備智能化運(yùn)動(dòng)的能力來適應(yīng)環(huán)境的變化。而全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度數(shù)目較多，其幾何約束、運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力約束下的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題的研究具有很大挑戰(zhàn)性。
　　 本文以自主開發(fā)的全

2、方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人系統(tǒng)為對象，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中機(jī)器人無碰撞搬運(yùn)物料操作的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為研究目的，由于受起始、終止位形約束和受工作空間運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)約束，因此對運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異規(guī)避、無碰撞路徑規(guī)劃和時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃及軌跡跟蹤魯棒性問題進(jìn)行了有創(chuàng)新性的研究，提出了一些新的方法并做了大量仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要工作如下：
　　 (1)在工作空間中，針對全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人末端執(zhí)行器的路徑規(guī)劃過程要求末端執(zhí)行器位姿變換的平滑和連

3、續(xù)性，采用了四元數(shù)方法描述末端執(zhí)行器在工作空間中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。針對機(jī)器人從工作空間向位形空間映射的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和奇異問題，基于全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自主性特點(diǎn)，采用了結(jié)合機(jī)器人速度比橢球修改工作空間期望運(yùn)動(dòng)軌跡在線規(guī)避機(jī)器人奇異位形的方法，并通過構(gòu)造多目標(biāo)融合的二次目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算機(jī)器人的優(yōu)化運(yùn)動(dòng)路徑。
　　 (2)全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人在動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要具備實(shí)時(shí)判斷運(yùn)動(dòng)的安全性和完成任務(wù)的能力。由于自由度數(shù)較多，

4、在結(jié)合算法完備性和效率基礎(chǔ)上，本文提出了基于隨機(jī)路標(biāo)法（PRM）和快速隨機(jī)擴(kuò)展樹方法（RRT）的綜合路徑規(guī)劃方法。其中，隨機(jī)路標(biāo)法可以為快速隨機(jī)擴(kuò)展樹提供根節(jié)點(diǎn)，并搜索位形空間內(nèi)最短自由路徑，而基于快速隨機(jī)擴(kuò)展樹的方法則用于搜索滿足工作空間位姿約束的位形空間節(jié)點(diǎn)。該方法通過獲取完整的環(huán)境信息模型，為全方位移動(dòng)仿人型機(jī)器人在線規(guī)劃出一條無碰撞的運(yùn)動(dòng)路徑。對于傳感器測量范圍受限制的情況，可通過運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的優(yōu)化來保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中對傳感

5、測控目標(biāo)感知的可靠性。
　　 (3)本文針對機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限以及離散控制模式的特點(diǎn)，提出了根據(jù)在線規(guī)劃的無碰撞運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的方法。該方法采用四階三次B樣條曲線擬合原始路徑節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造離散軌跡搜索圖，并通過建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型規(guī)劃時(shí)間最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，針對離散控制模式，對連續(xù)時(shí)間最優(yōu)軌跡按照控制周期間隔進(jìn)行了離散化處理，并通過控制器設(shè)計(jì)解決了存在擾動(dòng)情況下的軌跡跟蹤魯棒性問題。
　　 (4)為驗(yàn)證本文