全方位移動(dòng)操作機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與導(dǎo)航研究.pdf

1、移動(dòng)操作臂是集行走和操作功能于一體的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，該機(jī)構(gòu)有較好的操作靈活性和工作空間的廣闊性。它和單個(gè)系統(tǒng)相比有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)有著重要的理論研究意義。而目前在移動(dòng)操作機(jī)器人的研究中存在定位不準(zhǔn)確，無(wú)法建立移動(dòng)操作機(jī)器人精確的動(dòng)力學(xué)模型、難以找到有效的移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械臂間動(dòng)力耦合辨識(shí)方法、難以得到一個(gè)較優(yōu)的冗余度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法等諸多不足。為解決移動(dòng)操作機(jī)器人面臨的難題，本文研制了全方位移動(dòng)操作機(jī)器人(

2、ODMM)及超聲波絕對(duì)定位系統(tǒng)，并開展ODMM運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析、全方位移動(dòng)平臺(tái)與操作臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、避障導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等研究。
　　首先，將全方位移動(dòng)平臺(tái)與操作臂結(jié)合，研制的ODMM具有全方位移動(dòng)和可零半徑回轉(zhuǎn)的功能；為解決其定位精度難題，針對(duì)超聲波傳播的特點(diǎn)進(jìn)行信息融合，提出基于冗余超聲波信息融合的超聲波絕對(duì)定位方法，提高超聲波絕對(duì)定位的精度，并配合超聲波避障模塊與數(shù)字羅盤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ODMM的避障導(dǎo)航功能。本文提出了2種避障導(dǎo)航

3、算法：一種為基于超聲波絕對(duì)定位的ODMM導(dǎo)航算法，這個(gè)算法有避障與奔向目標(biāo)這兩個(gè)策略；另一個(gè)為基于超聲波絕對(duì)定位的模糊避障導(dǎo)航算法。后一種避障導(dǎo)航算法中，模糊規(guī)則是根據(jù)人駕車的先驗(yàn)知識(shí)建立的，該避障導(dǎo)航算法提高了ODMM的環(huán)境適應(yīng)能力與避障導(dǎo)航能力，仿真及實(shí)驗(yàn)證明避障導(dǎo)航算法的有效性和可行性。
　　接著，研究ODMM運(yùn)動(dòng)學(xué)，并進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。由于ODMM是7-DOF冗余度機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)，僅能得到一些量的約束關(guān)系而無(wú)法得

4、到有效解。為獲得有效解，必須添加一些約束方程或優(yōu)化指標(biāo)，這為后續(xù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制奠定了基礎(chǔ)。并采用拉格朗日方法建立ODMM動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在仿真中研究ODMM的運(yùn)動(dòng)速度、加速度與耦合力間的關(guān)系。
　　然后對(duì)ODMM的全方位移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式分析，并重點(diǎn)研究ODMM的全方位移動(dòng)平臺(tái)與操作臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的功能。針對(duì)ODMM的全方位移動(dòng)平臺(tái)與操作臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)提出了2種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法：其一為基于絕對(duì)定位的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

5、是在ODMM運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)，添加一項(xiàng)約束得到有效解；另一種采用種群范圍自調(diào)整遺傳算法，來(lái)優(yōu)化ODMM關(guān)節(jié)角變化的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，該方法很好地解決了冗余度機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問(wèn)題，并充分利用冗余度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)優(yōu)化。改進(jìn)遺傳算法在ODMM關(guān)節(jié)角變化優(yōu)化的效率比傳統(tǒng)的遺傳算法高，仿真實(shí)驗(yàn)證明該協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的正確性與高效性。同時(shí)在基于改進(jìn)遺傳算法的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上研究了軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，并進(jìn)行ODMM末端空間曲線圓運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真，

6、仿真結(jié)果表明該協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法是正確有效的。
　　再次ODMM的路徑規(guī)劃也為本文研究的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它通常分為全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃。針對(duì)局部路徑規(guī)劃中人工勢(shì)場(chǎng)法存在的不足，提出了基于遺傳算法優(yōu)化改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的全方位移動(dòng)操作機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。該方法比傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法的路徑規(guī)劃精度更好、更合理，隨后的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該路徑規(guī)劃方法的有效性與合理性。
　　最后，建立ODMM的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行ODMM典型軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)與運(yùn)

7、動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)，全方位移動(dòng)平臺(tái)與操作臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，ODMM基于絕對(duì)定位的糊避障導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了ODMM設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證了ODMM絕對(duì)定位的有效性，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的合理性，避障導(dǎo)航算法的有效性。在結(jié)尾處指出了本文研究的不足之處，并對(duì)后續(xù)的工作作出了展望。
　　本文研制ODMM及超聲波絕對(duì)定位系統(tǒng)，建立ODMM運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)展了ODMM定位、導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和路徑規(guī)劃技術(shù)，為進(jìn)一步深入研究ODMM和使ODMM進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用奠定