面向救援任務的雙臂機器人協(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)境下救災救援機器人，成為機器人研究領域的熱點和難點，也是重大基礎性的課題，具有十分重要的理論意義和實際應用價值。針對這些特殊應用，美國國防部高級計劃局（DARPA）舉辦了世界性級先進機器人技術挑戰(zhàn)賽(DRC)，希望通過比賽，研制出能夠使用救援工具執(zhí)行救災任務的機器人系統(tǒng)，并且能夠得到實際應用。雙臂機器人是最有可能完成這些動作和任務的機器人系統(tǒng)。
　　

2、為解決傳統(tǒng)6自由度手臂的雙臂機器人存在無法避免空間奇異點、避障等弱點，模擬人雙臂強大的作業(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)作機器人樣機，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器人具備避奇異、避障、避關節(jié)極限、優(yōu)化關節(jié)力矩等能力，同時，也增強了雙臂機器人操作能力、負載能力和運動靈活性。在該樣機平臺上，論文主要解決了冗余自由度雙臂運動逆解算法、面向任務層面上的雙臂運動和力規(guī)劃以及雙臂協(xié)調控制四個關鍵技術

3、問題，主要研究內容和創(chuàng)新點如下:
　　1)提出了具有冗余自由度的雙臂機器人運動學建模和算法研究。采用D-H方法建立了雙臂機器人運動學模型，在綜合考慮冗余特性的基礎上，如避奇異，避關節(jié)極限等，提出了一種新的七自由度冗余機械臂運動學封閉逆解算法，解決了數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)調操作運動規(guī)劃方法研究。根據雙臂間的運

4、動和力約束關系，提出了將一個完整的雙臂協(xié)調操作過程劃分為雙臂獨立、部分約束和全約束協(xié)調操作三種模式。其次，針對以上三種協(xié)調操作模式，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，可依據被操作物體的運動軌跡進行同時規(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器人的運

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

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偽逆法可以實現雙臂擠壓力為零的分配方法。最后，結合動力學模型和內力分配方法，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)作力控制器的設計提供了力學模型。
　　4)開展了雙臂協(xié)調控制和實驗研究。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)調控制方法，以順應不同的操作環(huán)境和操作任務需求。一種是基于運動學模型的位置協(xié)調控制方法，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模型的協(xié)調力控制方法，以實現目標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)調控制功能實現雙臂運動中同步和異步程序的并發(fā)執(zhí)行的實現方法。最后，針對DARPA機器人挑戰(zhàn)賽任務，開展了雙臂機器人開門、清除障礙物等實驗研究，實驗驗證了雙臂協(xié)調運動規(guī)劃與控制方法的可行性。
　　全文采用理論推導、仿真分析和實驗驗證相結合的方法，對冗余自由度雙臂的運動學、運