機器人臂-手抓取及操作規(guī)劃的研究.pdf

1、具有多自由度機械臂和多指靈巧手的機器人系統(tǒng)是仿人型機器人的重要組成部分，是實現(xiàn)機器人靈巧操作的執(zhí)行機構(gòu)。目前，隨著機械臂和靈巧手越來越廣泛的應(yīng)用，其作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和執(zhí)行任務(wù)所要求的精細(xì)化程度也變得越來越高，這就對機器人的自主規(guī)劃能力提出了更高的要求。本文利用HIT的4自由度機械臂和多指靈巧手為操作平臺，為提高機器人臂/手系統(tǒng)的自主操作能力，對機器人臂/手系統(tǒng)的抓取和操作規(guī)劃進(jìn)行了深入的研究。
　　多指手對物體進(jìn)行精確抓取，需要確

2、定合適的抓取點。針對機器人多指手抓取點選擇困難的問題，提出一種通用的精確抓取的規(guī)劃算法。通過手指與物體的接觸位置，構(gòu)建抓取螺旋空間，對抓取進(jìn)行質(zhì)量評估。根據(jù)抓取的薄弱方向，有啟發(fā)地調(diào)整手指對物體的抓取點。對于任意形狀的物體，可以快速計算出滿足穩(wěn)定性的優(yōu)化抓取。
　　由于機器人靈巧手與物體接觸所產(chǎn)生的摩擦力約束為非線性約束，導(dǎo)致實時計算手指抓取力受到了極大的限制。本文提出了一種計算多指手優(yōu)化抓取力的通用方法，其關(guān)鍵是利用拉格朗日乘子

3、法，通過自動調(diào)節(jié)各手指法向接觸力的權(quán)值系數(shù)，來獲得滿足非線性摩擦錐約束的初始抓取力，并結(jié)合梯度流的方法對初始抓取力進(jìn)行優(yōu)化。對于任意的干擾外力，在滿足抓取穩(wěn)定性的情況下，可以快速地計算出各手指的優(yōu)化抓取力。并在基于位置的阻抗控制算法中引入?yún)⒖剂?，建立了手指關(guān)節(jié)控制器，實現(xiàn)了任意指尖力的輸出。
　　多自由度機械臂和多個手指的靈巧手相當(dāng)于一個冗余的串并聯(lián)機構(gòu)，對于同一組抓取點，存在多種抓取構(gòu)型。本文對于機器人臂/手抓取結(jié)構(gòu)提出一種通用

4、的逆運動學(xué)解決方法。該方法根據(jù)D-H參數(shù)，利用優(yōu)化迭代來逐次計算機器人各關(guān)節(jié)的角度，使各手指指尖到達(dá)抓取點的距離最小。并通過在目標(biāo)函數(shù)中融入了多指手靈活度的目標(biāo)，在計算抓取構(gòu)型的同時，保證了多指手具有最佳的靈巧度。在工作空間內(nèi)對于任意給定的抓取點，該方法可以快速計算出機械臂和優(yōu)化的多指手抓取構(gòu)型。
　　基于隨機采樣的運動規(guī)劃方法在多自由度機器人的運動規(guī)劃中有著廣泛的應(yīng)用。針對基于隨機采樣的路徑規(guī)劃缺乏確定性的問題，提出一種具有啟發(fā)

5、式的多自由度機器人路徑規(guī)劃算法。該算法在快速擴展隨機樹(rapidly-exploring random tree，RRT)算法的基礎(chǔ)上，引入了啟發(fā)式估價函數(shù)。根據(jù)多次隨機采樣點的估計代價值，選擇最優(yōu)葉節(jié)點加入擴展樹，使擴展隨機樹有利于朝目標(biāo)點方向進(jìn)行生長。實驗結(jié)果表明，該算法與RRT算法相比，提高了復(fù)雜環(huán)境下機器人路徑規(guī)劃的效率，保證了規(guī)劃的路徑接近于最短路徑，對同一任務(wù)的規(guī)劃具有一定的可重復(fù)性。
　　最后，本文闡述了機器人臂/