8自由度輪式移動操作機避障能力及其運動規(guī)劃方法研究.pdf

1、移動操作機是一種由移動平臺及安裝其上的機械臂組成的機器人系統(tǒng)，具備大范圍移動及作業(yè)能力，在助老助殘、災難救援、排險排爆等領域具有廣泛應用前景。運動規(guī)劃是移動操作機需要解決的重要問題，但由于8自由度輪式移動操作機(8 Degree Wheeled Mobile Manipulator,8D-WMM)結構特點帶來的非完整冗余特性，其運動規(guī)劃問題較傳統(tǒng)的移動機器人和冗余度機器人更為復雜，且8D-WMM一般工作于多障礙復雜環(huán)境下，如何合理利用其

2、冗余度提升障礙環(huán)境下的作業(yè)能力具有重要的研究意義。當前，國內(nèi)外在輪式移動操作機的機構綜合及面向避障性能的逆運動學優(yōu)化方面缺乏系統(tǒng)性的研究，無法充分發(fā)揮該構型機器人在復雜環(huán)境下的靈活作業(yè)能力。為此，論文對8D-WMM的運動學、避障能力、面向避障作業(yè)的移動平臺和末端操作器路徑規(guī)劃方法、滿足在線避障要求的逆運動學優(yōu)化方法等進行深入研究，并建立面向助老助殘服務任務的8D-WMM系統(tǒng)實驗平臺，完成相關實驗驗證。
　　由于8D-WMM含有非完

3、整約束，不易得到自運動流形解析解，論文結合8D-WMM關節(jié)軸線的幾何分布特點，基于運動等效思想，以向量代數(shù)為工具，對8D-WMM運動學進行了研究，求解了8D-WMM自運動流形的解析解；并將移動平臺視為廣義運動副，利用速度疊加原理完成了雅可比矩陣的求解。
　　針對冗余度機器人在避障能力方面評價困難問題，通過對桿件自運動軌跡的空間度量，提出并建立了具有幾何意義的冗余度機器人通用避障能力指標—避障活動度，通過平面3自由度冗余機器人和8D

4、-WMM分析了避障活動度的求解方法，進而利用該指標分析了機器人桿件參數(shù)對上述兩種機器人避障能力的影響。
　　在路徑規(guī)劃方面，首先對8D-WMM的典型作業(yè)環(huán)境和典型障礙物進行了分析，繼而利用8D-WMM自運動分析結果，結合機械臂關節(jié)構型的特點，給出了平頂、斜頂、曲頂?shù)雀黝愓系K物的可回避性判據(jù)，并分析了移動操作機可避障域的求解方法，最后給出了面向可避障域的移動平臺路徑規(guī)劃算法和面向障礙物輪廓的機械臂路徑規(guī)劃算法。
　　在面向避障

5、的逆運動學優(yōu)化算法方面，從自運動角度出發(fā)，借助自運動流形的求解結果，提出了一種更適于避障作業(yè)的冗余度機器人逆運動學優(yōu)化算法，解決了現(xiàn)有算法在位移精度和計算量方面的不足。并通過平面3自由度機器人軌跡跟蹤和8D-WMM執(zhí)行窗口作業(yè)的仿真實例，驗證了算法的可行性。
　　最后，應用避障能力的分析結果，面向助老助殘任務構建了8D-WMM的系統(tǒng)實驗平臺，完成了機械本體、控制系統(tǒng)硬件及軟件的設計。在此基礎上利用該平臺完成了自運動流形、可避障方向