基于多機(jī)器人協(xié)調(diào)的

1、基于多機(jī)器人協(xié)調(diào)的船體分段對(duì)接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及對(duì)接精度研究1)景奉水譚民侯增廣梁自澤王云寬（中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究北京100080）摘要:本文研究了基于多機(jī)器人協(xié)調(diào)的船體分段對(duì)接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和對(duì)接精度問題。根據(jù)船體分段對(duì)接工藝特點(diǎn)，提出了了機(jī)器人的軌跡規(guī)劃算法和對(duì)接控制方案。在此基礎(chǔ)上，討論了幾種誤差因素對(duì)系統(tǒng)對(duì)接精度的影響。理論分析和仿真結(jié)果都表明，在對(duì)接平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸存在顯著誤差的情況下，采用本文提出的方法仍可以保證船體分段對(duì)接精度。關(guān)鍵

2、詞:多機(jī)器人協(xié)調(diào)；移動(dòng)機(jī)器人；對(duì)接精度；運(yùn)動(dòng)學(xué)中圖分類號(hào):TP13文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BSTUDYONTHEKINEMATICSMERGINGPRECISIONOFASHIPBLOCKMERGINGSYSTEMBASEDONMULTIROBOTCODINATIONJINGFengShuiTANMinHOUZengGuangLIANGZiZeWANGYunKuan(InstituteofAutomationChineseAcademyofScie

3、ncesBeijing100080)Abstract:Thispaperhasstudiedthekinematicstheprecisionofashipblockmergingsystembasedonthemultirobotcodination.Incodinationwiththeacteristicsoftheblocksmergingtechnologytheboatblockstrajectyplanningmethod

4、mergingcontrolschemewerepresented.Afterthatwediscussedanumberoferrfactswhichmayaffectthesystemprecision.Thesimulationresultstheeticalanalysisshowthatthemergingsystem’sprecisioncanbeguaranteedwiththeproposedtheproposedmet

5、hodseventherearesignificantdimensionalerrsofthesystemstructure.Keywds:multirobotcodinationmobilerobotsmergingprecisionkinematics1)國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：9921－03）.1引言(Introduction)多機(jī)器人協(xié)調(diào)（MultiRobotCodination）的研究起源于20世紀(jì)80年代初期。在任

6、務(wù)本身復(fù)雜的情況下，如搬運(yùn)大型物體，單個(gè)機(jī)器人難以完成；而多個(gè)機(jī)器人由于其內(nèi)在分布特性，通過共享資源（信息、知識(shí)、物理裝置等）可彌補(bǔ)單個(gè)機(jī)器人能力的不足，擴(kuò)大能力范圍，往往就可以獲得滿意效果。另外，設(shè)計(jì)若干簡(jiǎn)單的機(jī)器人比為具體任務(wù)設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大的單個(gè)機(jī)器人容易、經(jīng)濟(jì)，且在容錯(cuò)性、柔性等方面具有優(yōu)越性[1]。目前對(duì)多機(jī)器人協(xié)調(diào)的研究已引起普遍重視[23]。受多機(jī)器人協(xié)調(diào)搬運(yùn)大型物體的啟發(fā)[4567]，本文對(duì)多機(jī)器人協(xié)調(diào)對(duì)接大型船體分段進(jìn)行了

7、研究。第2節(jié)說明對(duì)接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；第3節(jié)研究對(duì)接系統(tǒng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃算法；第4節(jié)給出分段對(duì)接的控制方案，并討論尺寸誤差對(duì)系統(tǒng)精度的影響；第5節(jié)對(duì)全文的結(jié)果做出總結(jié)。2對(duì)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Mergingsystemarchitecture)如圖1所示，多個(gè)置于軌道上移動(dòng)機(jī)器人的手部分別固定在兩根剛性縱梁上，在縱梁之上再鋪設(shè)橫梁，從而構(gòu)成托起移動(dòng)段的平臺(tái)。每個(gè)移由(1)式可得到第i個(gè)機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)，即其手部在基準(zhǔn)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)(2)0000

8、11xiyiRiziRRAR?????????????????????????????將φ=α=θ=0，px=py=pz=0代入(2)式，得到移動(dòng)段處于對(duì)正位姿時(shí)，機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)(3)00011RixiRiyiziXRYDRHR???????????????????????????????機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置與其手部位置一致，因此(2)式減去(3)式，得到移動(dòng)段偏離對(duì)正位姿，做φ，α，θ旋轉(zhuǎn)和px，py，pz

9、平動(dòng)時(shí)，機(jī)器人各關(guān)節(jié)需要移動(dòng)的位移，即為機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解法；反之，(3)減去(2)式，得到移動(dòng)段從偏離位置回到對(duì)正位姿時(shí)機(jī)器人各關(guān)節(jié)需要的位移量，即機(jī)器人在對(duì)正調(diào)整時(shí)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡：主缸位移0(SCCSS)(SSCSC)(1CC)(SCCSS)(SSCSC)CCziziRiRiRRxyHpxpypz??????????????????????????????????????(4)副缸位移0(1CCSSS)(CSSSC)SC(CCSSS

10、)(CSSSC)SCxixiRiRiRRxyHpxpypz?????????????????????????????????????(5)行走位移0CS(1CC)SCSCCSyiyiRiRiRRxyHpxpypz???????????????????(6)式中，S表示正弦函數(shù)，C表示正弦函數(shù)，以下同。由于py項(xiàng)僅影響移動(dòng)段與基準(zhǔn)段的間距，即只影響分段的對(duì)接，而不影響分段的對(duì)正；而且移動(dòng)段沿平直軌道與基準(zhǔn)段對(duì)接時(shí)，不會(huì)影響分段原有的姿態(tài)和

11、對(duì)正結(jié)果。利用這一點(diǎn)，可將分段的對(duì)接分成兩個(gè)階段：分段位姿對(duì)正和分段對(duì)接。在分段位姿對(duì)正完成后，分段對(duì)接只是簡(jiǎn)單的多機(jī)器人同步行走任務(wù)。以下只考慮分段位姿對(duì)正問題。令py=0，并忽略關(guān)于Sφ，Sα，Sθ，px，pz的2階以上項(xiàng)，整理式(4)－(6)，得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)在分段位姿對(duì)正時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡：0SCCSC(1CC)CCziziRiRiRRxyHpz???????????????(7)(8)0(1CC)CSSCCCxixiRiRiRRxy

12、Hpx??????????????(8)0CS(1CC)SCSSyiyiRiRiRRxyHpxpz????????????????(9)3.3移動(dòng)段偏移φ，α，θ，px，pz的計(jì)算以上公式中都是以移動(dòng)段的旋轉(zhuǎn)角位移和平動(dòng)線位移為自變量的。這些值難以在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量得到，但可以通過測(cè)量移動(dòng)段定位點(diǎn)偏移的方法間接獲得。如圖1所示，在分段首尾端分別設(shè)置4個(gè)共圓定位點(diǎn)，且上下4個(gè)定位點(diǎn)處于同一平面，稱為分段鉛垂面；左右4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)也在同一平面，稱為

13、分段水平面。對(duì)正的目標(biāo)即是要求移動(dòng)段的上下標(biāo)志點(diǎn)位于基準(zhǔn)段的鉛垂面上，左右標(biāo)志點(diǎn)位于基準(zhǔn)段的水平面上。引入記號(hào)Uf，Df，Lf，Rf，Ub，Db，Lb，Rb來表示分段8個(gè)定位點(diǎn)的偏移值，U，D，L，R代表上、下、左、右；下標(biāo)fb代表移動(dòng)段的前后端面。它們共同說明標(biāo)志點(diǎn)所在位置。偏移的正負(fù)號(hào)依坐標(biāo)軸的正負(fù)方向定義，即向上偏移、向右偏移為正，反之為負(fù)。用Wf，Wb來記前后端面定位園的直徑，E來表示移動(dòng)段長(zhǎng)度。現(xiàn)說明如何由偏差測(cè)量值計(jì)算移動(dòng)段