冗余雙臂機器人在線運動規(guī)劃與協(xié)調(diào)操作方法研究.pdf

1、傳統(tǒng)的非冗余自由度工業(yè)機械臂在工業(yè)現(xiàn)場、家庭服務(wù)等場合已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運動規(guī)劃方法簡單，但在實際的應(yīng)用中，其靈活性有限，適合完成一些固定地、重復(fù)性地生產(chǎn)工作。為了拓展機械臂的應(yīng)用領(lǐng)域，冗余機械臂以其優(yōu)越的靈活性，強大的適應(yīng)性被廣大學(xué)者所研究。所謂冗余機械臂，即機械臂關(guān)節(jié)空間自由度大于任務(wù)空間所要表達的自由度。綜合考慮計算效率以及實際應(yīng)用的靈活性需求，7自由度冗余機械臂成為了該領(lǐng)域的主要研究對象。在研究擬人化操作的過程

2、中，以7自由度冗余機械臂構(gòu)成的雙臂機器人也成為當(dāng)前關(guān)于多機械臂協(xié)調(diào)控制研究領(lǐng)域的熱點。由于冗余自由度機械臂運動控制固有的復(fù)雜性，冗余機械臂的單臂運動控制以及雙臂協(xié)調(diào)控制研究水平一定程度上標志了一個國家的機械臂控制領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。冗余機械臂相對于傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂具有更廣闊的應(yīng)用前景，如避障、容錯、能量優(yōu)化等，它是下一代工業(yè)機械臂研究的重要方向。本文以冗余自由度機械臂為研究對象，以單臂在線運動規(guī)劃方法和雙臂協(xié)調(diào)控制策略為研究內(nèi)容，針對在線運

3、動規(guī)劃方法存在的約束模型不夠完善、優(yōu)化目標單一、求解速度容易受限等問題以及雙臂協(xié)調(diào)操作控制過程中力控制對模型的依賴問題開展相關(guān)研究。
　　首先，重點介紹了冗余自由度單臂機器人運動規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)的基于偽逆方法實現(xiàn)運動規(guī)劃時存在的不足，描述了在線運動規(guī)劃的優(yōu)點以及當(dāng)前在線運動規(guī)劃方法中有待解決的問題。在現(xiàn)有的在線運動規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運動規(guī)劃模型。該模型有三個特點:其一，將在線運動規(guī)

4、劃約束模型從當(dāng)前的運動學(xué)層拓展至動力學(xué)層，其二，采用雙模態(tài)優(yōu)化目標解決機械臂在運動空間受限時的目標優(yōu)化問題，并結(jié)合傳統(tǒng)的最小二乘法，提出了一種改進型的雙模態(tài)在線優(yōu)化目標，解決機械臂經(jīng)過奇異點的在線運動規(guī)劃問題。其三，將上述基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運動規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化成一個非線性二次規(guī)劃問題，結(jié)合內(nèi)點法的求解思想，綜合求解速度和求解精度，提出了一種適合工程應(yīng)用的在線二次規(guī)劃問題的求解方法。
　　其次，重點介紹了當(dāng)前雙臂協(xié)調(diào)控制基本方法

5、和基本理論以及雙臂協(xié)調(diào)操作過程中力控制約束模型，分析了傳統(tǒng)的基于阻抗控制方法由于對精確模型的依賴而造成的不足，建立了一種基于虛擬動力學(xué)模型的雙臂協(xié)調(diào)控制策略。該策略有以下優(yōu)點:其一，笛卡爾空間的運動規(guī)劃直接應(yīng)用于機械臂關(guān)節(jié)空間的力控制，不需要進行復(fù)雜的逆運動學(xué)計算，同時可以避免姿態(tài)奇異問題的出現(xiàn)。其二，利用虛擬動力學(xué)模型進行控制的過程中，不需要考慮傳統(tǒng)的動力學(xué)模型中的非線性項，如重力，摩擦等。它是利用力傳感器實現(xiàn)在線反饋控制，減少協(xié)調(diào)控

6、制對系統(tǒng)模型的依賴。
　　第三，對當(dāng)前國內(nèi)外的機械臂控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計進行調(diào)研，描述了當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于機械臂控制系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計的基本方式，以及其存在的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)之上，對項目自主研發(fā)的冗余自由度工業(yè)機械臂的軟硬件系統(tǒng)進行設(shè)計。采用Can總線星型網(wǎng)絡(luò)拓撲來連接機械臂的每個關(guān)節(jié)節(jié)點，搭建了Linux+RTAI實時運動控制系統(tǒng)，構(gòu)建了一套完整的雙臂機器人運動控制實驗平臺。
　　最后，通過對比的仿真結(jié)果對上述提到的算法進行驗證

7、，并在自主研發(fā)的雙臂機器人實驗平臺上開展相關(guān)實驗，包括機械臂標定、手眼協(xié)調(diào)、冗余機械臂在線運動規(guī)劃以及雙臂協(xié)調(diào)操作等，對詳細的實驗過程以及實際實驗取得的結(jié)果進行分析和討論，對實驗過程中出現(xiàn)的問題以及取得的成果進行總結(jié)，對當(dāng)前研究提出的方法所具有的優(yōu)點以及缺點做進一步的闡述。
　　綜上，本文對冗余機械臂控制以及雙臂協(xié)調(diào)控制提出了一整套的方法，并從仿真、實驗等角度驗證這些方法的有效性，為當(dāng)前的冗余機械臂運動控制以及雙臂協(xié)調(diào)操作控制的基