面向復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人操作臂作業(yè)過程優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)器人操作臂在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。對機(jī)器人操作臂作業(yè)過程的深入研究，有助于提高機(jī)器人作業(yè)效率和改善機(jī)器人操作性能。復(fù)雜任務(wù)中的機(jī)器人操作臂作業(yè)過程受到多種因素的影響。本文著重考察機(jī)器人操作臂在作業(yè)拓?fù)漤樞蚩勺儭C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副含間隙、非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境等復(fù)雜任務(wù)中的作業(yè)過程優(yōu)化問題，研究了機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、布局設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)綜合以及力反饋遙操作等方面的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 機(jī)器人操作臂的位置反解是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。為了便于導(dǎo)出手腕偏置

2、型串聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，提出了基于切斷點(diǎn)自由度解耦的機(jī)器人操作臂位置反解技術(shù)。利用機(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)特征，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈切斷為兩部分，使兩個(gè)子運(yùn)動(dòng)鏈在切斷點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)自由度的某個(gè)分量上的耦合度最小。從而將含6個(gè)未知數(shù)的高維超越方程組轉(zhuǎn)化為僅含1個(gè)未知數(shù)的非線性方程，通過一維迭代搜索進(jìn)行機(jī)器人位置反解。
　　 機(jī)器人操作臂的一個(gè)復(fù)雜作業(yè)過程包含多種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃目標(biāo)。為了便于作業(yè)過程優(yōu)化，提出了基于作業(yè)過程分解的機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)

3、。在自由運(yùn)動(dòng)階段，采用準(zhǔn)梯形波和準(zhǔn)三角波運(yùn)動(dòng)模型，研究了基于作業(yè)時(shí)間最短的機(jī)器人自由運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃技術(shù)。在約束運(yùn)動(dòng)階段，將工件的設(shè)計(jì)特征映射為制造特征，研究了基于特征映射的機(jī)器人約束運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃技術(shù)。復(fù)雜的機(jī)器人任務(wù)可以看作是這兩種子過程的組合。
　　 機(jī)器人操作臂的布局設(shè)計(jì)是機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的問題之一。為了盡量減少布局設(shè)計(jì)中人機(jī)交互的迭代過程，并使機(jī)器人完成任務(wù)的工作周期時(shí)間最短，提出了基于作業(yè)拓?fù)渑c基座位置協(xié)同優(yōu)化的

4、機(jī)器人操作臂布局設(shè)計(jì)方法。將機(jī)器人操作臂的基座可行空間離散為若干空間網(wǎng)格。在各空間網(wǎng)格中，采用蟻群算法優(yōu)化機(jī)器人作業(yè)拓?fù)漤樞?。在具有相同作業(yè)拓?fù)漤樞虻木W(wǎng)格空間中，采用模式搜索算法尋找機(jī)器人基座的最優(yōu)位置姿態(tài)。
　　 機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)副使相鄰構(gòu)件產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副元素之間必然留有間隙。為了使運(yùn)動(dòng)副元素之間不發(fā)生沖擊碰撞，提出了基于軌跡規(guī)劃的含間隙機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)副元素避免分離技術(shù)。建立含間隙運(yùn)動(dòng)副的虛擬桿模型。采用多項(xiàng)式函數(shù)

5、進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃，將含間隙運(yùn)動(dòng)副反力表達(dá)為機(jī)器人主動(dòng)關(guān)節(jié)和虛擬桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)的函數(shù)。把機(jī)器人每段運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間長度作為可調(diào)參數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)副反力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜。從動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜中選擇合理的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)間長度，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中含間隙運(yùn)動(dòng)副元素始終避免分離。
　　 機(jī)器人操作臂的力反饋遙操作廣泛地應(yīng)用于未知的或者非結(jié)構(gòu)化的作業(yè)環(huán)境。為了便于操作人員遠(yuǎn)程作業(yè)，提出了基于增強(qiáng)遙操作便捷性的機(jī)器人操作臂的力反饋遙操作技術(shù)。在通常的位置控制模式和速率

6、控制模式之外進(jìn)一步提出了定點(diǎn)控制模式，研究了基于速率一位置一定點(diǎn)混合模式的力反饋遙操作控制技術(shù)。采用狀態(tài)解析的方法識別操作人員的操作意圖，研究了基于操作意圖的力反饋遙操作中虛擬夾具在線生成技術(shù)。針對虛擬環(huán)境中的機(jī)器人遙操作，研究了基于主動(dòng)引導(dǎo)的接觸力覺連續(xù)生成方法。
　　 開發(fā)了機(jī)器人操作臂虛擬樣機(jī)作業(yè)過程仿真軟件系統(tǒng)。包括兩個(gè)子系統(tǒng)，即機(jī)器人操作臂布局設(shè)計(jì)與操作仿真系統(tǒng)、集成虛擬環(huán)境的機(jī)器人操作臂遙操作系統(tǒng)。其中機(jī)器人操作臂布