冗余雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)系統(tǒng)研究.pdf

1、冗余雙臂機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)前沿課題。特別是隨著單臂機(jī)器人在操作能力、控制等方面的局限性不斷凸顯，擁有協(xié)調(diào)操作能力的冗余雙臂機(jī)器人的研究受到了越來越多的關(guān)注。然而由于協(xié)調(diào)操作的雙臂之間存在著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束關(guān)系，冗余雙臂機(jī)器人的控制和分析具有相當(dāng)?shù)碾y度。本文針對(duì)冗余雙臂機(jī)器人的協(xié)調(diào)作業(yè)任務(wù)，系統(tǒng)地研究了冗余雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)問題，主要包括以下五個(gè)方面內(nèi)容：
　　(1)針對(duì)單個(gè)冗余機(jī)械臂的避障規(guī)劃問題，

2、提出了基于主從任務(wù)轉(zhuǎn)化的避障算法。該方法將冗余機(jī)械臂避障運(yùn)動(dòng)的3維操作空間縮減為1維的運(yùn)動(dòng)空間，引入了2個(gè)轉(zhuǎn)換變量，可以根據(jù)得到的實(shí)時(shí)最小距離的變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)和避障運(yùn)動(dòng)之間的主從任務(wù)優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法在冗余機(jī)械臂的避障規(guī)劃中具有良好的效果，不僅能實(shí)現(xiàn)冗余機(jī)械臂的避障，而且能避免任務(wù)之間的沖突。
　　(2)對(duì)冗余雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃問題進(jìn)行了研究，引入了用于描述協(xié)調(diào)操作任務(wù)的絕對(duì)位姿變

3、量和相對(duì)位姿變量，構(gòu)造出了對(duì)應(yīng)于協(xié)調(diào)操作任務(wù)的雅可比矩陣，得到了冗余雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，使得冗余雙臂機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)操作任務(wù)。結(jié)合單臂機(jī)器人的避障算法原理，提出了冗余雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作的避障規(guī)劃算法。通過仿真驗(yàn)證了冗余雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作的避障規(guī)劃算法的有效性。
　　(3)利用基于解耦的自然正交補(bǔ)的動(dòng)力學(xué)遞推建模方法，對(duì)多自由度機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模問題進(jìn)行了研究。通過引入解耦的自然正交補(bǔ)的概念和方法，消除了牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)方程中

4、的約束力項(xiàng)，并利用旋量來表示相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)變量，提出了一種基于解耦的自然正交補(bǔ)的高效率反向動(dòng)力學(xué)遞推建模方法。針對(duì)單臂冗余機(jī)器人系統(tǒng)和冗余雙臂機(jī)器人的開環(huán)系統(tǒng)，分別編制了反向動(dòng)力學(xué)建模程序，并與仿真軟件 ADAMS得到的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可靠性和高效性。
　　(4)研究了構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)的冗余雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)系統(tǒng)的載荷分配問題和動(dòng)力學(xué)優(yōu)化問題。利用機(jī)器人雙臂之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束關(guān)系，提出了一種無內(nèi)力的載荷分

5、配方法。通過機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性，并利用冗余雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)的自運(yùn)動(dòng)特性，以驅(qū)動(dòng)力矩的優(yōu)化為目的，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化。
　　(5)根據(jù)冗余雙臂機(jī)器人系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)模型，采用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立了系統(tǒng)整體的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。面向協(xié)調(diào)搬運(yùn)任務(wù)和協(xié)調(diào)裝配任務(wù)，對(duì)與雙臂協(xié)調(diào)操作有關(guān)的任務(wù)分解，雙臂的任務(wù)分配等問題，在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了數(shù)值仿真和分析，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和操作提供了參考。
　　本文所研究的避障規(guī)劃、雙臂協(xié)