面向救援任務(wù)的雙臂機(jī)器人協(xié)作運動規(guī)劃與控制方法研究.pdf

1、日本的福島核事故，天津的危險品爆炸等重大的災(zāi)難性事故發(fā)生后，研發(fā)出一種能夠在危險環(huán)境下救災(zāi)救援機(jī)器人，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點和難點，也是重大基礎(chǔ)性的課題，具有十分重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。針對這些特殊應(yīng)用，美國國防部高級計劃局（DARPA）舉辦了世界性級先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)挑戰(zhàn)賽(DRC)，希望通過比賽，研制出能夠使用救援工具執(zhí)行救災(zāi)任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，并且能夠得到實際應(yīng)用。雙臂機(jī)器人是最有可能完成這些動作和任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。
　　

2、為解決傳統(tǒng)6自由度手臂的雙臂機(jī)器人存在無法避免空間奇異點、避障等弱點，模擬人雙臂強(qiáng)大的作業(yè)能力和運動靈活性，本論文自主研發(fā)了一款具有冗余自由度的雙臂協(xié)作機(jī)器人樣機(jī)，冗余自由度使得在雙臂執(zhí)行器末端位姿不變的前提下機(jī)器人具備避奇異、避障、避關(guān)節(jié)極限、優(yōu)化關(guān)節(jié)力矩等能力，同時，也增強(qiáng)了雙臂機(jī)器人操作能力、負(fù)載能力和運動靈活性。在該樣機(jī)平臺上，論文主要解決了冗余自由度雙臂運動逆解算法、面向任務(wù)層面上的雙臂運動和力規(guī)劃以及雙臂協(xié)調(diào)控制四個關(guān)鍵技術(shù)

3、問題，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　1)提出了具有冗余自由度的雙臂機(jī)器人運動學(xué)建模和算法研究。采用D-H方法建立了雙臂機(jī)器人運動學(xué)模型，在綜合考慮冗余特性的基礎(chǔ)上，如避奇異，避關(guān)節(jié)極限等，提出了一種新的七自由度冗余機(jī)械臂運動學(xué)封閉逆解算法，解決了數(shù)值算法中難以確定初始值以及存在累積誤差等問題。通過仿真和實驗驗證了運動學(xué)建模和逆解算法的快速有效性。
　　2)提出了一種普適性的對稱式雙臂協(xié)調(diào)操作運動規(guī)劃方法研究。根據(jù)雙臂間的運

4、動和力約束關(guān)系，提出了將一個完整的雙臂協(xié)調(diào)操作過程劃分為雙臂獨立、部分約束和全約束協(xié)調(diào)操作三種模式。其次，針對以上三種協(xié)調(diào)操作模式，給出了雙臂之間、雙臂與被操作物體之間的相對位姿約束關(guān)系模型，并提出了一種普適性的基于位置層面上的對稱式雙臂運動規(guī)劃方法。該規(guī)劃方法的優(yōu)勢在于，主從臂具體同等地位，可依據(jù)被操作物體的運動軌跡進(jìn)行同時規(guī)劃，可以有效的避免主從式運動規(guī)劃中從臂獲取信息延遲的想象。此外，該雙臂運動規(guī)劃方法也為冗余自由度雙臂機(jī)器人的運

5、動控制和力學(xué)計算提供了理論分析模型。
　　3)開展了冗余自由度雙臂機(jī)器人的聯(lián)合動力學(xué)和內(nèi)力動態(tài)優(yōu)化分配方法研究。首先，針對三種雙臂協(xié)調(diào)操作模式，分別對雙臂、被操作物體動力學(xué)以及雙臂與物體的聯(lián)合動力學(xué)進(jìn)行了建模，為雙臂間的力規(guī)劃提供了力學(xué)模型。其次，研究了雙臂在關(guān)節(jié)空間、操作空間以及抓取空間之間的運動和力的映射關(guān)系。并針對雙臂機(jī)器人系統(tǒng)組成的閉鏈多體系統(tǒng)的動力學(xué)耦合問題，采用能量最優(yōu)法、最小范數(shù)法和加權(quán)偽逆法三種優(yōu)化方法對雙臂內(nèi)力進(jìn)

6、行了動態(tài)分配，通過三種優(yōu)化方法的對比分析得出加權(quán)偽逆法可以實現(xiàn)雙臂擠壓力為零的分配方法。最后，結(jié)合動力學(xué)模型和內(nèi)力分配方法，針對雙臂三種操作模式，提出了一種普適性的雙臂作用力規(guī)劃方法，為雙臂協(xié)作力控制器的設(shè)計提供了力學(xué)模型。
　　4)開展了雙臂協(xié)調(diào)控制和實驗研究。首先，以雙臂的相對位姿控制與作用力控制為控制對象，提出了兩種基于模型的雙臂協(xié)調(diào)控制方法，以順應(yīng)不同的操作環(huán)境和操作任務(wù)需求。一種是基于運動學(xué)模型的位置協(xié)調(diào)控制方法，用于跟

7、蹤雙臂末端位姿、相對位姿的控制;另一種是基于動力學(xué)模型的協(xié)調(diào)力控制方法，以實現(xiàn)目標(biāo)運動和力的同步控制。其次，搭建了雙臂控制系統(tǒng)的軟硬件平臺，以及給出了通過多通道協(xié)調(diào)控制功能實現(xiàn)雙臂運動中同步和異步程序的并發(fā)執(zhí)行的實現(xiàn)方法。最后，針對DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽任務(wù)，開展了雙臂機(jī)器人開門、清除障礙物等實驗研究，實驗驗證了雙臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃與控制方法的可行性。
　　全文采用理論推導(dǎo)、仿真分析和實驗驗證相結(jié)合的方法，對冗余自由度雙臂的運動學(xué)、運