冗余機械臂運動學及移動平臺航位推算和軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、冗余移動機械臂是移動機械臂的一個重要分支，主要由移動平臺及安裝在移動平臺上的冗余機械臂組成。冗余移動機械臂不僅能夠如同移動機器人一樣可以在無限空間中運動，并且還能實現(xiàn)如同機械臂一樣的靈活操作，能替代人在危險、惡劣的環(huán)境下進行作業(yè)。冗余移動機械臂主要包括兩個系統(tǒng):冗余機械臂操作執(zhí)行子系統(tǒng)和移動平臺移動子系統(tǒng)。針對兩個子系統(tǒng)的特點分別進行研究，冗余機械臂具有高冗余性，其研究重點主要在于機械機構的尺寸優(yōu)化及其逆運動學求解。移動平臺的任務是在避

2、開障礙物的同時走向目標，所以精確的定位及軌跡規(guī)劃是亟待解決的難題。
　　工作空間及工作靈活度是衡量冗余機械臂工作性能的重要指標，機械臂的尺寸優(yōu)化是選取較優(yōu)的桿件長度從而保證機械臂足夠的工作空間及工作靈活度。本文提出一種以機械臂工作空間的大小及末端機械臂靈活區(qū)域為優(yōu)化指標的尺寸優(yōu)化算法。以機械臂結構尺寸參數(shù)為基礎構建工作空間密度函數(shù)，該函數(shù)可以有效的獲得工作空間及靈活區(qū)域的分布情況。采用工作空間密度函數(shù)作為優(yōu)化目標函數(shù)對冗余機械臂進

3、行尺寸優(yōu)化。本文提出的優(yōu)化方法在計算量上遠小于傳統(tǒng)的蒙特卡洛法構建機械臂的工作空間的方法，解決了隨機械臂桿件數(shù)增加蒙特卡洛法無法求解的問題。
　　冗余機械臂具有高冗余性，在工作空間內(nèi)逆運動學存在多解，因此冗余機械臂的逆運動學求解是研究難點問題。本文提出一種以工作空間密度函數(shù)為基礎的逆運動學求解迭代算法，該算法具有精度高，收斂性好等優(yōu)點。該算法還充分考慮到了在工作空間中有障礙物的情況實現(xiàn)有效的避障求解。在逆運動學求解中采用的是末端位

4、姿，可以指定機械臂末端桿件的位姿，有利于末端執(zhí)行機構進行下一步的抓取，裝配等任務的完成。
　　移動平臺定位問題是控制算法的基礎，但在危險惡劣的環(huán)境中，高精度的定位傳感器將會受到影響。航位推算是不依賴定位傳感器的一種定位算法，主要根據(jù)移動平臺的結構參數(shù)及物理輸出量進行航位推算。但航位推算算法是開環(huán)算法，由于噪聲等原因引入的誤差會隨時間的增長而變大，本文主要針對噪聲對車輪輸出的影響進行航位誤差推算，可有效的對移動平臺進行定位。

5、　　為提高移動平臺的定位精度，需要對多傳感器位置信息進行信息融合。本文采用貝葉斯定理為基礎，對傳感器采集的定位信息進行數(shù)學概率建模，并采用傅里葉變換將傳感器信息進行融合獲得更精確的定位。通過同樣方法可將移動平臺的航位誤差推算與傳感器信息進行有效的信息融合，實現(xiàn)高精度定位。
　　軌跡規(guī)劃問題是移動機器人重點研究內(nèi)容之一。本文提出一種以移動平臺隨機運動微分方程為基礎的軌跡規(guī)劃算法。該算法在考慮障礙物位置的情況下，生成較優(yōu)路徑，不僅考慮