基于多機器人協(xié)調(diào)的

1、基于多機器人協(xié)調(diào)的船體分段對接系統(tǒng)的運動學(xué)及對接精度研究1)景奉水譚民侯增廣梁自澤王云寬（中國科學(xué)院自動化研究北京100080）摘要:本文研究了基于多機器人協(xié)調(diào)的船體分段對接系統(tǒng)的運動學(xué)和對接精度問題。根據(jù)船體分段對接工藝特點，提出了了機器人的軌跡規(guī)劃算法和對接控制方案。在此基礎(chǔ)上，討論了幾種誤差因素對系統(tǒng)對接精度的影響。理論分析和仿真結(jié)果都表明，在對接平臺結(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接精度。關(guān)鍵

2、詞:多機器人協(xié)調(diào)；移動機器人；對接精度；運動學(xué)中圖分類號:TP13文獻標志碼：BSTUDYONTHEKINEMATICSMERGINGPRECISIONOFASHIPBLOCKMERGINGSYSTEMBASEDONMULTIROBOTCODINATIONJINGFengShuiTANMinHOUZengGuangLIANGZiZeWANGYunKuan(InstituteofAutomationChineseAcademyofScie

3、ncesBeijing100080)Abstract:Thispaperhasstudiedthekinematicstheprecisionofashipblockmergingsystembasedonthemultirobotcodination.Incodinationwiththeacteristicsoftheblocksmergingtechnologytheboatblockstrajectyplanningmethod

4、mergingcontrolschemewerepresented.Afterthatwediscussedanumberoferrfactswhichmayaffectthesystemprecision.Thesimulationresultstheeticalanalysisshowthatthemergingsystem’sprecisioncanbeguaranteedwiththeproposedtheproposedmet

5、hodseventherearesignificantdimensionalerrsofthesystemstructure.Keywds:multirobotcodinationmobilerobotsmergingprecisionkinematics1)國家“863”計劃資助項目（編號：9921－03）.1引言(Introduction)多機器人協(xié)調(diào)（MultiRobotCodination）的研究起源于20世紀80年代初期。在任

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

7、研究。第2節(jié)說明對接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；第3節(jié)研究對接系統(tǒng)的逆運動學(xué)和軌跡規(guī)劃算法；第4節(jié)給出分段對接的控制方案，并討論尺寸誤差對系統(tǒng)精度的影響；第5節(jié)對全文的結(jié)果做出總結(jié)。2對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Mergingsystemarchitecture)如圖1所示，多個置于軌道上移動機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)成托起移動段的平臺。每個移由(1)式可得到第i個機器人坐標系原點，即其手部在基準坐標系的齊次坐標(2)0000

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

9、平動時，機器人各關(guān)節(jié)需要移動的位移，即為機器人逆運動學(xué)解法；反之，(3)減去(2)式，得到移動段從偏離位置回到對正位姿時機器人各關(guān)節(jié)需要的位移量，即機器人在對正調(diào)整時各關(guān)節(jié)的運動軌跡：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項僅影響移動段與基準段的間距，即只影響分段的對接，而不影響分段的對正；而且移動段沿平直軌道與基準段對接時，不會影響分段原有的姿態(tài)和

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

12、Hpx??????????????(8)0CS(1CC)SCSSyiyiRiRiRRxyHpxpz????????????????(9)3.3移動段偏移φ，α，θ，px，pz的計算以上公式中都是以移動段的旋轉(zhuǎn)角位移和平動線位移為自變量的。這些值難以在現(xiàn)場直接測量得到，但可以通過測量移動段定位點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個共圓定位點，且上下4個定位點處于同一平面，稱為分段鉛垂面；左右4個標志點也在同一平面，稱為

13、分段水平面。對正的目標即是要求移動段的上下標志點位于基準段的鉛垂面上，左右標志點位于基準段的水平面上。引入記號Uf，Df，Lf，Rf，Ub，Db，Lb，Rb來表示分段8個定位點的偏移值，U，D，L，R代表上、下、左、右；下標fb代表移動段的前后端面。它們共同說明標志點所在位置。偏移的正負號依坐標軸的正負方向定義，即向上偏移、向右偏移為正，反之為負。用Wf，Wb來記前后端面定位園的直徑，E來表示移動段長度?，F(xiàn)說明如何由偏差測量值計算移動段