冗余機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)及移動平臺航位推算和軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、冗余移動機(jī)械臂是移動機(jī)械臂的一個重要分支，主要由移動平臺及安裝在移動平臺上的冗余機(jī)械臂組成。冗余移動機(jī)械臂不僅能夠如同移動機(jī)器人一樣可以在無限空間中運(yùn)動，并且還能實(shí)現(xiàn)如同機(jī)械臂一樣的靈活操作，能替代人在危險、惡劣的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。冗余移動機(jī)械臂主要包括兩個系統(tǒng):冗余機(jī)械臂操作執(zhí)行子系統(tǒng)和移動平臺移動子系統(tǒng)。針對兩個子系統(tǒng)的特點(diǎn)分別進(jìn)行研究，冗余機(jī)械臂具有高冗余性，其研究重點(diǎn)主要在于機(jī)械機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化及其逆運(yùn)動學(xué)求解。移動平臺的任務(wù)是在避

2、開障礙物的同時走向目標(biāo)，所以精確的定位及軌跡規(guī)劃是亟待解決的難題。
　　工作空間及工作靈活度是衡量冗余機(jī)械臂工作性能的重要指標(biāo)，機(jī)械臂的尺寸優(yōu)化是選取較優(yōu)的桿件長度從而保證機(jī)械臂足夠的工作空間及工作靈活度。本文提出一種以機(jī)械臂工作空間的大小及末端機(jī)械臂靈活區(qū)域為優(yōu)化指標(biāo)的尺寸優(yōu)化算法。以機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建工作空間密度函數(shù)，該函數(shù)可以有效的獲得工作空間及靈活區(qū)域的分布情況。采用工作空間密度函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對冗余機(jī)械臂進(jìn)

3、行尺寸優(yōu)化。本文提出的優(yōu)化方法在計算量上遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的蒙特卡洛法構(gòu)建機(jī)械臂的工作空間的方法，解決了隨機(jī)械臂桿件數(shù)增加蒙特卡洛法無法求解的問題。
　　冗余機(jī)械臂具有高冗余性，在工作空間內(nèi)逆運(yùn)動學(xué)存在多解，因此冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)求解是研究難點(diǎn)問題。本文提出一種以工作空間密度函數(shù)為基礎(chǔ)的逆運(yùn)動學(xué)求解迭代算法，該算法具有精度高，收斂性好等優(yōu)點(diǎn)。該算法還充分考慮到了在工作空間中有障礙物的情況實(shí)現(xiàn)有效的避障求解。在逆運(yùn)動學(xué)求解中采用的是末端位

4、姿，可以指定機(jī)械臂末端桿件的位姿，有利于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一步的抓取，裝配等任務(wù)的完成。
　　移動平臺定位問題是控制算法的基礎(chǔ)，但在危險惡劣的環(huán)境中，高精度的定位傳感器將會受到影響。航位推算是不依賴定位傳感器的一種定位算法，主要根據(jù)移動平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理輸出量進(jìn)行航位推算。但航位推算算法是開環(huán)算法，由于噪聲等原因引入的誤差會隨時間的增長而變大，本文主要針對噪聲對車輪輸出的影響進(jìn)行航位誤差推算，可有效的對移動平臺進(jìn)行定位。

5、　　為提高移動平臺的定位精度，需要對多傳感器位置信息進(jìn)行信息融合。本文采用貝葉斯定理為基礎(chǔ)，對傳感器采集的定位信息進(jìn)行數(shù)學(xué)概率建模，并采用傅里葉變換將傳感器信息進(jìn)行融合獲得更精確的定位。通過同樣方法可將移動平臺的航位誤差推算與傳感器信息進(jìn)行有效的信息融合，實(shí)現(xiàn)高精度定位。
　　軌跡規(guī)劃問題是移動機(jī)器人重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。本文提出一種以移動平臺隨機(jī)運(yùn)動微分方程為基礎(chǔ)的軌跡規(guī)劃算法。該算法在考慮障礙物位置的情況下，生成較優(yōu)路徑，不僅考慮