冗余雙臂機(jī)器人在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與協(xié)調(diào)操作方法研究.pdf

1、傳統(tǒng)的非冗余自由度工業(yè)機(jī)械臂在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、家庭服務(wù)等場(chǎng)合已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的應(yīng)用中，其靈活性有限，適合完成一些固定地、重復(fù)性地生產(chǎn)工作。為了拓展機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域，冗余機(jī)械臂以其優(yōu)越的靈活性，強(qiáng)大的適應(yīng)性被廣大學(xué)者所研究。所謂冗余機(jī)械臂，即機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間自由度大于任務(wù)空間所要表達(dá)的自由度。綜合考慮計(jì)算效率以及實(shí)際應(yīng)用的靈活性需求，7自由度冗余機(jī)械臂成為了該領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。在研究擬人化操作的過程

2、中，以7自由度冗余機(jī)械臂構(gòu)成的雙臂機(jī)器人也成為當(dāng)前關(guān)于多機(jī)械臂協(xié)調(diào)控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由于冗余自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制固有的復(fù)雜性，冗余機(jī)械臂的單臂運(yùn)動(dòng)控制以及雙臂協(xié)調(diào)控制研究水平一定程度上標(biāo)志了一個(gè)國(guó)家的機(jī)械臂控制領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。冗余機(jī)械臂相對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械臂具有更廣闊的應(yīng)用前景，如避障、容錯(cuò)、能量?jī)?yōu)化等，它是下一代工業(yè)機(jī)械臂研究的重要方向。本文以冗余自由度機(jī)械臂為研究對(duì)象，以單臂在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法和雙臂協(xié)調(diào)控制策略為研究?jī)?nèi)容，針對(duì)在線運(yùn)

3、動(dòng)規(guī)劃方法存在的約束模型不夠完善、優(yōu)化目標(biāo)單一、求解速度容易受限等問題以及雙臂協(xié)調(diào)操作控制過程中力控制對(duì)模型的依賴問題開展相關(guān)研究。
　　首先，重點(diǎn)介紹了冗余自由度單臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)的基于偽逆方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)存在的不足，描述了在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)以及當(dāng)前在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法中有待解決的問題。在現(xiàn)有的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型。該模型有三個(gè)特點(diǎn):其一，將在線運(yùn)動(dòng)規(guī)

4、劃約束模型從當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)學(xué)層拓展至動(dòng)力學(xué)層，其二，采用雙模態(tài)優(yōu)化目標(biāo)解決機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)空間受限時(shí)的目標(biāo)優(yōu)化問題，并結(jié)合傳統(tǒng)的最小二乘法，提出了一種改進(jìn)型的雙模態(tài)在線優(yōu)化目標(biāo)，解決機(jī)械臂經(jīng)過奇異點(diǎn)的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題。其三，將上述基于力矩層約束的雙模態(tài)在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化成一個(gè)非線性二次規(guī)劃問題，結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法的求解思想，綜合求解速度和求解精度，提出了一種適合工程應(yīng)用的在線二次規(guī)劃問題的求解方法。
　　其次，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前雙臂協(xié)調(diào)控制基本方法

5、和基本理論以及雙臂協(xié)調(diào)操作過程中力控制約束模型，分析了傳統(tǒng)的基于阻抗控制方法由于對(duì)精確模型的依賴而造成的不足，建立了一種基于虛擬動(dòng)力學(xué)模型的雙臂協(xié)調(diào)控制策略。該策略有以下優(yōu)點(diǎn):其一，笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃直接應(yīng)用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的力控制，不需要進(jìn)行復(fù)雜的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，同時(shí)可以避免姿態(tài)奇異問題的出現(xiàn)。其二，利用虛擬動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行控制的過程中，不需要考慮傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型中的非線性項(xiàng)，如重力，摩擦等。它是利用力傳感器實(shí)現(xiàn)在線反饋控制，減少協(xié)調(diào)控

6、制對(duì)系統(tǒng)模型的依賴。
　　第三，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)研，描述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方式，以及其存在的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)項(xiàng)目自主研發(fā)的冗余自由度工業(yè)機(jī)械臂的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用Can總線星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)連接機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)，搭建了Linux+RTAI實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)建了一套完整的雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　最后，通過對(duì)比的仿真結(jié)果對(duì)上述提到的算法進(jìn)行驗(yàn)證

7、，并在自主研發(fā)的雙臂機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括機(jī)械臂標(biāo)定、手眼協(xié)調(diào)、冗余機(jī)械臂在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及雙臂協(xié)調(diào)操作等，對(duì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果進(jìn)行分析和討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題以及取得的成果進(jìn)行總結(jié)，對(duì)當(dāng)前研究提出的方法所具有的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)做進(jìn)一步的闡述。
　　綜上，本文對(duì)冗余機(jī)械臂控制以及雙臂協(xié)調(diào)控制提出了一整套的方法，并從仿真、實(shí)驗(yàn)等角度驗(yàn)證這些方法的有效性，為當(dāng)前的冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制以及雙臂協(xié)調(diào)操作控制的基