機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)可完成性研究.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用已涉及到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。然而，人類距離“萬能機(jī)器人”的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)。當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)都是針對(duì)功能需求開發(fā)，只能完成某類特定的任務(wù)，具有一定的局限性。因此，給定機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)后，首先需要判斷當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)是否能夠完成指定任務(wù)。對(duì)于可完成的任務(wù)，則進(jìn)一步求解實(shí)現(xiàn)任務(wù)的方案；對(duì)于不可完成的任務(wù)，則要對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)無法完成任務(wù)的原因進(jìn)行分析，針對(duì)原因設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化方案將任務(wù)轉(zhuǎn)化為可完成。此外，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)可完成性的

2、研究將為多機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)分配提供重要的參考依據(jù)。在進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，首先匹配多機(jī)器人系統(tǒng)中能夠完成給定任務(wù)的單個(gè)機(jī)器人，然后根據(jù)所給定的性能指標(biāo)選擇性能最優(yōu)的機(jī)器人完成指定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理配置。
　　本文的研究工作圍繞以上問題展開，所取得的成果和結(jié)論主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　(1)提出基于表征空間的機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)可完成性評(píng)價(jià)框架
　　表征空間法的基本思想是將機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程視為表征空間中機(jī)器人狀態(tài)的變遷

3、過程。選擇能夠完全表征當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)以及給定任務(wù)的狀態(tài)變量建立表征空間模型，將機(jī)器人的起止?fàn)顟B(tài)映射為表征空間中的初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)器人受到的各種內(nèi)外部約束將表征空間分為可達(dá)區(qū)域和不可達(dá)區(qū)域。若起止點(diǎn)均位于可達(dá)區(qū)域內(nèi)且可達(dá)區(qū)域內(nèi)存在二者的連通路徑，則該機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成給定任務(wù)。通過路徑搜索可求解出實(shí)現(xiàn)任務(wù)在給定性能指標(biāo)下的最優(yōu)解。否則，需確定影響任務(wù)無法完成的根本原因，針對(duì)性地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化方案將任務(wù)轉(zhuǎn)化為可完成，并求解任務(wù)轉(zhuǎn)化的臨界條件

4、及轉(zhuǎn)化代價(jià)。當(dāng)存在多個(gè)有效的轉(zhuǎn)化策略時(shí)，本文還提出了在給定代價(jià)函數(shù)下不同轉(zhuǎn)化策略間的比較方法。
　　(2)機(jī)械臂路徑規(guī)劃任務(wù)可完成性分析
　　分別考察了機(jī)械臂在單個(gè)障礙約束、多個(gè)障礙約束和多種內(nèi)外部約束情況下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)可完成性。在單障礙物環(huán)境中，當(dāng)任務(wù)無法完成時(shí)，給出了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化策略的一般步驟以及判斷轉(zhuǎn)化策略是否有效的方法，特別地，當(dāng)存在多個(gè)有效的轉(zhuǎn)化策略時(shí)，提出了方案選擇的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于多障礙物環(huán)境中的路徑規(guī)劃，分析了不同障

5、礙物對(duì)任務(wù)可完成性的影響，為轉(zhuǎn)化方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。最后，分析了當(dāng)機(jī)械臂受到多種內(nèi)外部約束情況下運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)無解的原因及轉(zhuǎn)化策略的設(shè)計(jì)方法。
　　(3)車型移動(dòng)機(jī)器人泊車任務(wù)可完成性分析
　　通過三個(gè)泊車任務(wù)仿真實(shí)例分析，提出了當(dāng)由于系統(tǒng)終止?fàn)顟B(tài)不可達(dá)造成任務(wù)無法完成的一般性轉(zhuǎn)化策略——最近鄰策略。
　　(4)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)
　　采用表征空間法指導(dǎo)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)，即判斷模塊化機(jī)器人在當(dāng)