機器人系統(tǒng)運動規(guī)劃與協(xié)調的研究.pdf

1、隨著計算機、電子、通信、控制、傳感器及其它相關技術的發(fā)展，機器人技術得到了迅猛發(fā)展，應用領域層出不窮。一方面，研究者致力于設計更復雜的機構，在個體機器人上安裝更加先進、更多種類的傳感器，設計更為復雜高效的算法以提高單個機器人的智能和能力，使其能夠更好地完成任務，適應更復雜的環(huán)境；另一方面，人們采用多個功能相對簡單的機器人相互合作，共同完成單個機器人無法完成的具有復雜性、不確定性、并發(fā)性、實時性等特點的任務。 單機器人系統(tǒng)在執(zhí)行給

2、定的任務前，需進行路徑規(guī)劃，同樣，多機器人系統(tǒng)也需協(xié)調各機器人間的運動以規(guī)避沖突。當前常用的運動規(guī)劃與協(xié)調方法雖然得到了廣泛應用，取得了較好的效果，但均局限于特定的應用場合，與具體任務及系統(tǒng)特性緊密相關，當任務或環(huán)境改變后，原來的方法不能應用，因此缺乏靈活性與統(tǒng)一性。另外，現(xiàn)有的方法都是假定任務可完成情況下的規(guī)劃與協(xié)調，而很少涉及系統(tǒng)的能力范圍及任務不能完成的情況。 本文提出一種通用的機器人系統(tǒng)運動規(guī)劃與協(xié)調策略，把單機器人系統(tǒng)

3、的規(guī)劃問題與多機器人系統(tǒng)的協(xié)調問題統(tǒng)一起來，適用于不同環(huán)境、不同任務及不同機器人系統(tǒng)中。根據任務要求與系統(tǒng)特性，合理選擇狀態(tài)變量構造系統(tǒng)的狀態(tài)空間，把系統(tǒng)內部固有的物理約束、外部施加的障礙約束及任務約束映射為狀態(tài)空間中的不可達區(qū)域，則可達區(qū)域就表明該機器人系統(tǒng)完成任務的能力范圍。將任務的執(zhí)行過程看作是系統(tǒng)狀態(tài)在狀態(tài)可達空間的變遷過程，這樣就把機器人系統(tǒng)的規(guī)劃與協(xié)調問題統(tǒng)一轉化為狀態(tài)空間中的軌跡求解。 給出了任務的可完成條件，即當

4、系統(tǒng)初始狀態(tài)與任務終止狀態(tài)均位于可達空間，且可達區(qū)域內存在起止狀態(tài)間的連通路徑時，任務可完成，此時可根據給定的性能指標在狀態(tài)空間求解任務實現(xiàn)的最優(yōu)解。如以上任一條件不滿足，則任務無法完成，通過修改系統(tǒng)配置或任務約束將任務轉化為可完成，并求解任務可實現(xiàn)的轉化條件，以此指導機器人任務的設計、規(guī)劃與協(xié)調。 基于狀態(tài)空間法實現(xiàn)了不同機器人系統(tǒng)任務的規(guī)劃與協(xié)調，驗證了該方法的有效性與通用性。針對單機械臂軌跡規(guī)劃任務，分析了無障礙約束及障礙

5、約束下機械臂系統(tǒng)完成任務的能力范圍及特點，在狀態(tài)空間求解點到點任務的末端執(zhí)行器路徑最短軌跡，并分析了任務無法完成的情況，求得任務實現(xiàn)的臨界配置與臨界約束條件，從仿真與硬件實體上實現(xiàn)了狀態(tài)軌跡跟蹤；分別實現(xiàn)了單移動機器人與移動機械臂的路徑規(guī)劃，在基于Internet的辦公室服務機器人上實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境下路徑的實時規(guī)劃與跟蹤，對于移動機械臂，在狀態(tài)空間求解出不同任務要求下移動機械臂的最優(yōu)軌跡；針對多機器人編隊任務，在狀態(tài)空間求解出約束條件下編