障礙環(huán)境下非完整輪式移動操作機運動規(guī)劃方法研究.pdf

1、非完整輪式移動操作機(WheeledMobileManipulator,WMM)是由非完整(nonholonomic)輪式移動平臺以及操作臂構(gòu)成的機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是既有大范圍移動能力，又有靈活操作能力，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，其研究具有重要理論和實際意義。
　　運動規(guī)劃是非完整WMM系統(tǒng)研究領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一。非完整WMM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性隨之帶來運動規(guī)劃問題研究上的復(fù)雜性。非完整WMM系統(tǒng)位形空間雖存在不可積非完整約

2、束卻具有完全可控性。移動平臺和操作臂兩個子系統(tǒng)的組合使非完整WMM系統(tǒng)具有運動冗余性，要求運動協(xié)同性。障礙環(huán)境下要求非完整WMM運動具有安全避障性。
　　本文在黑龍江省基金項目(項目編號：20010701018)支持下，在分析總結(jié)國內(nèi)外大量相關(guān)研究文獻基礎(chǔ)上，對非完整WMM系統(tǒng)運動規(guī)劃問題進行了深入研究。
　　基于D-H坐標系以及Lagrange法，分別建立了非完整WMM系統(tǒng)以及非完整移動平臺和操作臂兩個子系統(tǒng)的運動學(xué)模型和

3、動力學(xué)模型；分析了非完整WMM系統(tǒng)動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)特性，在此基礎(chǔ)上根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計了非完整WMM系統(tǒng)點到點運動控制律。
　　非完整WMM系統(tǒng)受限障礙空間無碰運動規(guī)劃問題研究具有重要實際意義，但相關(guān)研究還鮮見報道。針對該問題本文提出了受限空間無碰路徑多點隨機規(guī)劃方法(MPPM)。通過非完整移動平臺路徑規(guī)劃得到滿足非完整約束的平臺無碰路徑，以平臺路徑為非完整WMM系統(tǒng)位形約束條件，通過離散化策略對該系統(tǒng)的位形子空間隨機

4、采樣，用離散構(gòu)造策略構(gòu)造k分連通圖滿足運動協(xié)同性，通過圖的搜索進行無碰路徑查詢。實現(xiàn)了高自由度非完整WMM系統(tǒng)受限空間內(nèi)無碰協(xié)調(diào)運動。
　　利用梯度投影法(GradientProjectionMethod,GPM)對非完整WMM系統(tǒng)逆運動學(xué)求解，將隨機規(guī)劃與逆運動學(xué)求解方法相結(jié)合，提出了基于GPM的無碰軌跡規(guī)劃方法。無碰軌跡規(guī)劃分為初規(guī)劃和逆運動學(xué)求解兩個子過程；利用隨機規(guī)劃進行路徑初規(guī)劃，根據(jù)初規(guī)劃結(jié)果求得非完整WMM系統(tǒng)引導(dǎo)位

5、形序列，由引導(dǎo)位形序列構(gòu)造目標切換函數(shù)以及非完整WMM終端軌跡，利用零空間梯度投影算法得到最終無碰軌跡。
　　針對給定終端(EndEffector,EE)路徑約束條件下運動規(guī)劃問題，提出了基于粒子群(PSO)技術(shù)的運動規(guī)劃方法。將終端路徑離散化，選擇非完整移動平臺控制輸入矢量作為粒子，使得非完整約束條件自然被滿足；在每個離散點利用非完整WMM系統(tǒng)逆運動學(xué)求解得到該系統(tǒng)整體位形；通過粒子群位形優(yōu)化技術(shù)得到滿足終端約束條件路徑。對障礙