三肢體機器人運動規(guī)劃及控制研究.pdf

1、人類研究制作機器人的目的是使其能夠取代或者協(xié)助人類自身完成各項工作，例如一些乏味的制造類工作或是一些危險性工作。機器人通過模擬人類或生物的某種功能而具備完成任務(wù)的能力。通常情況下，操作和移動是機器人所應(yīng)具有的最基本功能。操作功能由機器人手臂機構(gòu)實現(xiàn)，移動功能由腿機構(gòu)、車輪或履帶機構(gòu)完成。此種設(shè)計方法使得機器人需要更多的機構(gòu)自由度及相應(yīng)的驅(qū)動元件，這將導(dǎo)致機器人機構(gòu)設(shè)計變得復(fù)雜及其本體重量的增加，降低了機器人的負載能力及移動的靈活性。本文

2、提及的三肢體機器人采用將移動機構(gòu)與操作機構(gòu)融為一體的設(shè)計方法，有效地解決了由于機構(gòu)獨立設(shè)計帶來的機器人本體體積及重量增大、負載能力降低以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，對移動機器人的研究與應(yīng)用具有十分重要的意義。相應(yīng)地，此種新穎的肢體機器人設(shè)計在運動規(guī)劃和控制層面上也帶來了新的問題及挑戰(zhàn)。
　　為了方便操作者對三肢體機器人進行控制和規(guī)劃，本文提出了集成交互環(huán)境系統(tǒng)（Integrative Interaction Environment，II

3、E），它是集三肢體機器人運動規(guī)劃、柔順控制、動力學(xué)仿真、人機通訊和虛擬環(huán)境于一體的人機圖形交互系統(tǒng)。IIE系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，每一個軟件模塊都能夠方便地更新與替換?；诩山换キh(huán)境的系統(tǒng)框架，劃分為五個關(guān)鍵層面的子系統(tǒng)——運動規(guī)劃子系統(tǒng)、柔順控制子系統(tǒng)、動力學(xué)仿真子系統(tǒng)、人機通訊子系統(tǒng)和虛擬環(huán)境子系統(tǒng)。采用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）對各子系統(tǒng)進行了分析與設(shè)計，并在JAVA/JAVA

4、3D開發(fā)平臺上給予實現(xiàn)。
　　三肢體機器人的每個肢體末端是永磁吸附機構(gòu)，行進過程中通過與接觸表面吸附賦予機器人平穩(wěn)運動的能力。吸附的可靠性是三肢體機器人行走與操作過程穩(wěn)定性的決定因素。為了獲得可靠的吸附，本文采用牛頓-歐拉方法建立了三肢體機器人的動力學(xué)模型，基于該模型對機器人的穩(wěn)定性問題進行了全面地分析。建立了三肢體機器人的能量消耗模型，提出嵌套優(yōu)化遺傳算法對時間及能量進行優(yōu)化計算，在與傳統(tǒng)遺傳算法計算耗時相同的情況下提高了優(yōu)化結(jié)

5、果的精度。
　　三肢體機器人采用新穎的三分支機構(gòu)，使其具有多種靈活的基本運動步態(tài)，如蠕動步態(tài)、翻轉(zhuǎn)步態(tài)、交叉步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)等，基本步態(tài)用以實現(xiàn)同一平面內(nèi)的行走。本文采用模糊推理方法，在基本步態(tài)基礎(chǔ)之上生成演化步態(tài)，用以實現(xiàn)兩交叉平面間的行走。隨后提出了基于向量場的三肢體機器人3D動態(tài)空間導(dǎo)航策略，實現(xiàn)了機器人在3D動態(tài)空間中的無碰撞行走。
　　三肢體機器人是多關(guān)節(jié)冗余度機器人，由于冗余度機器人的運動學(xué)方程式中系數(shù)矩陣的秩大于

6、增廣矩陣的秩而無法對之求解。傳統(tǒng)的做法中一般是要在尋求路徑的某些過程中犧牲一些關(guān)節(jié)以求得唯一解。但是此類做法嚴重影響了多關(guān)節(jié)機器人的靈活性，違背了設(shè)計者的初衷。鑒于此，本文提出一種新的漸進式遺傳算法，將笛卡爾空間坐標位姿能夠自動、有效地映射到關(guān)節(jié)空間，最大限度保留了多關(guān)節(jié)機器人的靈活性。同時提出變策略遺傳算法，解決漸進式遺傳算法在動態(tài)環(huán)境應(yīng)用中出現(xiàn)的振蕩和易陷入局部極小點的問題。
　　三肢體機器人在行走和操作時所接觸的環(huán)境剛度變化