機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法及其在虛擬環(huán)境下的投射式實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制仿真研究是目前機(jī)器人學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。通過(guò)引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以構(gòu)建更加直觀高效逼真的仿真環(huán)境，進(jìn)行更加有效的人機(jī)交互式操作。而機(jī)器人的軌跡規(guī)劃問(wèn)題則是機(jī)器人研究領(lǐng)域中一個(gè)長(zhǎng)期存在的傳統(tǒng)問(wèn)題。目前，已經(jīng)有比較多的最優(yōu)規(guī)劃算法，這些算法各具特色，在某些特定場(chǎng)合中發(fā)揮了一定的功效。不過(guò)，這些算法也存在著一些缺陷，因此，研究以克服這些不足并且突出算法的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用為目的的改進(jìn)算法是有重要現(xiàn)實(shí)意義的。

2、本學(xué)位論文針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人軌跡規(guī)劃這兩大領(lǐng)域開(kāi)展了一些交叉研究，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這一新穎的技術(shù)應(yīng)用于軌跡規(guī)劃這一傳統(tǒng)的機(jī)器人研究領(lǐng)域中，在兩者之間建立起了有效的連接。論文工作以對(duì)面向機(jī)器人控制的新穎的投射式虛擬現(xiàn)實(shí)(ProjectiveVirtualReality，PVR)技術(shù)理論的改進(jìn)和擴(kuò)展為研究主線，著重在基于改進(jìn)的PVR技術(shù)的機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)的研制和系統(tǒng)擴(kuò)展接口的設(shè)計(jì)，以及對(duì)應(yīng)的投射式虛擬環(huán)境下機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法的研究和實(shí)

3、現(xiàn)等方面作了一些有益的探索和嘗試。學(xué)位論文的主要工作和成果可以概括為以下五個(gè)方面： 1.在全面地介紹了相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)PVR技術(shù)這一虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人控制相結(jié)合的前沿應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析研究，提出了該技術(shù)的進(jìn)一步研究方向。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，提出并具體設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的基于PVR技術(shù)的機(jī)器人虛擬仿真控制平臺(tái)，該平臺(tái)克服了以往PVR應(yīng)用過(guò)程中的一些不足。具體地，在避碰檢測(cè)和人機(jī)交互式操作等方面進(jìn)行了討論。與現(xiàn)有

4、同類(lèi)仿真平臺(tái)相比，這里提出的虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)一步地改進(jìn)了PVR技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用面廣等特點(diǎn)。它既可作為虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)，進(jìn)行逼真的臨場(chǎng)感操作訓(xùn)練；又可作為多功能機(jī)器人操作仿真試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行機(jī)器人操作仿真試驗(yàn)。 2.為了使上述設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，針對(duì)PVR技術(shù)中任務(wù)演繹和動(dòng)作規(guī)劃這兩大關(guān)鍵部件一般很難在非結(jié)構(gòu)化和未知的環(huán)境中被有效構(gòu)造的不足，將主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的ECA規(guī)則機(jī)制引入到仿真系統(tǒng)中，提出了一個(gè)新的軟件

5、框架TD&APECA。該框架不僅具有良好的柔韌性(它能根據(jù)操作者的需求來(lái)方便地重新部分參數(shù)化仿真系統(tǒng))，而且為PVR技術(shù)的協(xié)作式和分布式應(yīng)用提供了一個(gè)良好的擴(kuò)展接口。初步的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的可行性和有效性。 3.深入研究了機(jī)器人的最優(yōu)時(shí)間軌跡規(guī)劃(MTTP)算法和機(jī)器人軌跡規(guī)劃的綜合優(yōu)化(IOTP)算法。在新算法中，基于設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的機(jī)器人碰撞檢測(cè)策略，以及結(jié)合問(wèn)題特點(diǎn)引入的優(yōu)化技巧，比較完整地構(gòu)建了問(wèn)題的優(yōu)化模型，

6、并據(jù)此提出了高效的加強(qiáng)型進(jìn)化規(guī)劃算法來(lái)進(jìn)行具體求解。系統(tǒng)仿真比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出算法的可行性和有效性，在計(jì)算精度上要優(yōu)于已有方法。特別地，以MOTOMAN-UP6工業(yè)機(jī)器人為實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，在基于PVR技術(shù)構(gòu)建的仿真系統(tǒng)平臺(tái)上，考慮了算法在投射式虛擬環(huán)境下的應(yīng)用，得到了提高投射式操作精度的一些有用輔助操作手段，并據(jù)此提出了“虛擬軌跡”(virtualtrajectory)的概念。 4.研究了機(jī)器人最優(yōu)時(shí)間動(dòng)作路徑規(guī)劃(MTMPP)算

7、法。先針對(duì)基本的MTMPP問(wèn)題，提出了一種新穎的混合式進(jìn)化計(jì)算模擬退火求解算法，對(duì)算法的收斂特性進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式證明，并將設(shè)計(jì)的算法與現(xiàn)有的幾種優(yōu)化算法進(jìn)行了數(shù)值仿真比較；然后，將提出的算法與機(jī)器人學(xué)中一些比較有效的優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在此基礎(chǔ)上又提出了其它三類(lèi)優(yōu)化算法，分別解決了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中三種不同類(lèi)型的擴(kuò)展型MTMPP問(wèn)題。同時(shí)，將設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法引入到仿真系統(tǒng)中的投射式虛擬環(huán)境下，得到了一些有用的輔助操作手段，并提出了“虛擬指導(dǎo)

8、式移動(dòng)路徑”(virtualinstructionalmovingpath)的概念。 5.基于目前正在廣泛使用的極具發(fā)展前途的蟻群優(yōu)化(AntColonyOptimization，ACO)算法，提出了解決機(jī)器人路徑規(guī)劃的改進(jìn)型ACO算法IACO*，討論了對(duì)含有約束條件的連續(xù)型函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的求解。在算法的設(shè)計(jì)中，具體構(gòu)造了特殊的距離啟發(fā)式信息概率；動(dòng)態(tài)確定了算法中的兩類(lèi)重要權(quán)值系數(shù)；有效構(gòu)造了問(wèn)題的可行解；為螞蟻在移動(dòng)過(guò)程中綜合確

9、定了轉(zhuǎn)移概率。另外，針對(duì)目前對(duì)ACO算法收斂性的數(shù)學(xué)證明還很缺乏的不足，基于泛函分析的手段，對(duì)提出的算法IACO*的收斂特性進(jìn)行了初步的數(shù)學(xué)分析和證明。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了提出算法的實(shí)用性和有效性。學(xué)位論文的最后一章在總結(jié)全文工作的基礎(chǔ)上，從涉及兩個(gè)理論方面研究和一個(gè)應(yīng)用方面研究的前瞻性角度，比較詳盡地提出和分析了后續(xù)的研究工作，對(duì)進(jìn)一步的研究具有一定的指導(dǎo)意義。最后結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，就學(xué)位論文中開(kāi)展的研究工作在實(shí)際場(chǎng)合中的應(yīng)用進(jìn)行了