機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與協(xié)調(diào)的研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)、電子、通信、控制、傳感器及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)映霾桓F。一方面，研究者致力于設(shè)計(jì)更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，在個(gè)體機(jī)器人上安裝更加先進(jìn)、更多種類的傳感器，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜高效的算法以提高單個(gè)機(jī)器人的智能和能力，使其能夠更好地完成任務(wù)，適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境；另一方面，人們采用多個(gè)功能相對(duì)簡單的機(jī)器人相互合作，共同完成單個(gè)機(jī)器人無法完成的具有復(fù)雜性、不確定性、并發(fā)性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)的任務(wù)。 單機(jī)器人系統(tǒng)在執(zhí)行給

2、定的任務(wù)前，需進(jìn)行路徑規(guī)劃，同樣，多機(jī)器人系統(tǒng)也需協(xié)調(diào)各機(jī)器人間的運(yùn)動(dòng)以規(guī)避沖突。當(dāng)前常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與協(xié)調(diào)方法雖然得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果，但均局限于特定的應(yīng)用場合，與具體任務(wù)及系統(tǒng)特性緊密相關(guān)，當(dāng)任務(wù)或環(huán)境改變后，原來的方法不能應(yīng)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(wù)可完成情況下的規(guī)劃與協(xié)調(diào)，而很少涉及系統(tǒng)的能力范圍及任務(wù)不能完成的情況。 本文提出一種通用的機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與協(xié)調(diào)策略，把單機(jī)器人系統(tǒng)

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

4、系統(tǒng)初始狀態(tài)與任務(wù)終止?fàn)顟B(tài)均位于可達(dá)空間，且可達(dá)區(qū)域內(nèi)存在起止?fàn)顟B(tài)間的連通路徑時(shí)，任務(wù)可完成，此時(shí)可根據(jù)給定的性能指標(biāo)在狀態(tài)空間求解任務(wù)實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)解。如以上任一條件不滿足，則任務(wù)無法完成，通過修改系統(tǒng)配置或任務(wù)約束將任務(wù)轉(zhuǎn)化為可完成，并求解任務(wù)可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化條件，以此指導(dǎo)機(jī)器人任務(wù)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與協(xié)調(diào)。 基于狀態(tài)空間法實(shí)現(xiàn)了不同機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)的規(guī)劃與協(xié)調(diào)，驗(yàn)證了該方法的有效性與通用性。針對(duì)單機(jī)械臂軌跡規(guī)劃任務(wù)，分析了無障礙約束及障礙

5、約束下機(jī)械臂系統(tǒng)完成任務(wù)的能力范圍及特點(diǎn)，在狀態(tài)空間求解點(diǎn)到點(diǎn)任務(wù)的末端執(zhí)行器路徑最短軌跡，并分析了任務(wù)無法完成的情況，求得任務(wù)實(shí)現(xiàn)的臨界配置與臨界約束條件，從仿真與硬件實(shí)體上實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)軌跡跟蹤；分別實(shí)現(xiàn)了單移動(dòng)機(jī)器人與移動(dòng)機(jī)械臂的路徑規(guī)劃，在基于Internet的辦公室服務(wù)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)境下路徑的實(shí)時(shí)規(guī)劃與跟蹤，對(duì)于移動(dòng)機(jī)械臂，在狀態(tài)空間求解出不同任務(wù)要求下移動(dòng)機(jī)械臂的最優(yōu)軌跡；針對(duì)多機(jī)器人編隊(duì)任務(wù)，在狀態(tài)空間求解出約束條件下編