【摘要】：移動(dòng)機(jī)器人是近年機(jī)器人研究中快速發(fā)展的領(lǐng)域,主要可以劃分為移動(dòng)平臺(tái)及具有操作臂的移動(dòng)機(jī)械臂兩種形式。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制是目前關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容,吸引了大量學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員的關(guān)注。其中,冗余特性是目前移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制研究面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)和難題,其主要包含兩個(gè)方面:移動(dòng)平臺(tái)多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的冗余特性和移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合機(jī)械臂引起的冗余運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度。本文分別針對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái),創(chuàng)新地提出了兼顧車體運(yùn)動(dòng)跟蹤性能和驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的控制理念,設(shè)計(jì)了多層結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒協(xié)調(diào)控制策略;針對(duì)具有冗余運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的移動(dòng)機(jī)械臂,提出一套車臂一體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃方法,從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人冗余特性運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和協(xié)調(diào)控制。論文分析了多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),明確了該類移動(dòng)平臺(tái)控制問(wèn)題與傳統(tǒng)的兩輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)控制問(wèn)題之間的重要區(qū)別——冗余驅(qū)動(dòng)特性可能導(dǎo)致車體軌跡跟蹤與驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)無(wú)法同時(shí)協(xié)調(diào)的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)此類移動(dòng)平臺(tái)控制性能的提升,需要針對(duì)以上關(guān)鍵控制問(wèn)題展開(kāi)研究。目前,關(guān)于冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型研究尚不完善,且現(xiàn)在基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的運(yùn)動(dòng)分配控制方法無(wú)法滿足更高性能控制的要求。為解決以上問(wèn)題,本文在深入研究冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)模型后,先提出了一種簡(jiǎn)單有效的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)分配方法,然后進(jìn)一步提出了一種多層結(jié)構(gòu)自適應(yīng)魯棒協(xié)調(diào)控制策略以獲得更好車體軌跡跟蹤性能的同時(shí)協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)。另外,本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng),深入研究了移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)理,明確了冗余運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度是移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃存在的主要難題。為了解決以上問(wèn)題,本文在深入研究移動(dòng)機(jī)械臂模型后,提出一種基于優(yōu)化方法的移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)械臂在目標(biāo)約束(構(gòu)型空間,笛卡爾空間)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)約束、穩(wěn)定性約束和障礙約束下的一體化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略。論文首先探索冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的多系統(tǒng)耦合建模方法:所提的機(jī)理建模分析方法對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)各部件給出了完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系,對(duì)車輪/地面交互作用給出了詳細(xì)的描述;然后,論文研究了一種基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)分配控制方法:所設(shè)計(jì)的控制器方法簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)軌跡跟蹤層+運(yùn)動(dòng)分配層兩層控制結(jié)構(gòu),分別設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒控制算法和自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)分配算法,在具有車輪滑動(dòng)情況下能夠取得更高的車體運(yùn)動(dòng)性能。進(jìn)一步,論文提出兼顧車體運(yùn)動(dòng)跟蹤與驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)的三層結(jié)構(gòu)控制方法:高層基于車體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒軌跡跟蹤控制方法,獲得車體期望總驅(qū)動(dòng)力與扭矩;中層針對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)問(wèn)題,考慮車輪/地面交互作用關(guān)系實(shí)現(xiàn)控制分配,將來(lái)自高層的驅(qū)動(dòng)力和扭矩轉(zhuǎn)化為各車輪期望滑差率;底層實(shí)現(xiàn)滑差率控制,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定,并實(shí)現(xiàn)了性能的進(jìn)一步提升。理論及對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明,所提出的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)分配控制方法和同時(shí)協(xié)調(diào)車體運(yùn)動(dòng)跟蹤及車輪運(yùn)動(dòng)的控制方法能夠在目前方法上進(jìn)一步提高性能,具有優(yōu)越的理論性能和魯棒實(shí)用價(jià)值,是解決冗余驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)控制的有效途徑;最后,論文針對(duì)具有冗余運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的移動(dòng)機(jī)械臂,提出了一種基于優(yōu)化方法的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法:通過(guò)分析移動(dòng)機(jī)械臂存在的目標(biāo)約束、關(guān)節(jié)約束、穩(wěn)定性約束和障礙約束,設(shè)計(jì)路徑最短優(yōu)化目標(biāo),規(guī)劃出移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡,同時(shí)協(xié)調(diào)車體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。理論及對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明,所提出的一體化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào),是解決具有冗余自由度移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的有效方法。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

曑逡逑ｉｌ＾逡逑圖１．１固定基座機(jī)械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑圖１．２移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)逡逑的采樣；２０１３年中國(guó)向月球發(fā)射了邋“玉兔號(hào)”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的探索及采樣；日本逡逑消防中心裝備的Ｒｏｂｏｃｕｅ機(jī)器人能用于火災(zāi)、地震等危險(xiǎn)環(huán)境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移動(dòng)機(jī)器人是目前研究領(lǐng)域一款典型的移動(dòng)機(jī)器人，是一款具有視覺(jué)、導(dǎo)逡逑航、移動(dòng)平臺(tái)及雙機(jī)械臂的綜合性設(shè)備；Ｋｕｋａ公司也推出專門用于教育與研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移動(dòng)機(jī)器人，如圖１．３。目前，國(guó)內(nèi)外高校正在針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)研究，如，逡逑斯坦福大學(xué)［１４］、卡耐基梅�。保保担焙图又荽髮W(xué)伯克利分校Ｉ１６１等國(guó)際著名高等院校也對(duì)移動(dòng)逡逑機(jī)器人進(jìn)行研究。我國(guó)的高校和研究所也對(duì)移動(dòng)機(jī)器人展開(kāi)了一定研究，例如清華大逡逑學(xué)１｜７１、浙江大學(xué)｜１８１、哈爾濱工業(yè)大學(xué)｜１９１、華中科技大學(xué)１１１１、上海交通大學(xué)ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大學(xué)ｍｉ和華南理工大學(xué)等。與國(guó)外相比，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)仍存在一定差距。逡逑２逡逑

圖１．１固定基座機(jī)械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑圖１．２移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)逡逑的采樣；２０１３年中國(guó)向月球發(fā)射了邋“玉兔號(hào)”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的探索及采樣；日本逡逑消防中心裝備的Ｒｏｂｏｃｕｅ機(jī)器人能用于火災(zāi)、地震等危險(xiǎn)環(huán)境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移動(dòng)機(jī)器人是目前研究領(lǐng)域一款典型的移動(dòng)機(jī)器人，是一款具有視覺(jué)、導(dǎo)逡逑航、移動(dòng)平臺(tái)及雙機(jī)械臂的綜合性設(shè)備；Ｋｕｋａ公司也推出專門用于教育與研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移動(dòng)機(jī)器人，如圖１．３。目前，國(guó)內(nèi)外高校正在針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)研究，如，逡逑斯坦福大學(xué)［１４］、卡耐基梅�。保保担焙图又荽髮W(xué)伯克利分校Ｉ１６１等國(guó)際著名高等院校也對(duì)移動(dòng)逡逑機(jī)器人進(jìn)行研究。我國(guó)的高校和研究所也對(duì)移動(dòng)機(jī)器人展開(kāi)了一定研究，例如清華大逡逑學(xué)１｜７１、浙江大學(xué)｜１８１、哈爾濱工業(yè)大學(xué)｜１９１、華中科技大學(xué)１１１１、上海交通大學(xué)ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大學(xué)ｍｉ和華南理工大學(xué)等。與國(guó)外相比，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)仍存在一定差距。逡逑２逡逑

曑逡逑ｉｌ＾逡逑圖１．１固定基座機(jī)械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑圖１．２移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)逡逑的采樣；２０１３年中國(guó)向月球發(fā)射了邋“玉兔號(hào)”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的探索及采樣；日本逡逑消防中心裝備的Ｒｏｂｏｃｕｅ機(jī)器人能用于火災(zāi)、地震等危險(xiǎn)環(huán)境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移動(dòng)機(jī)器人是目前研究領(lǐng)域一款典型的移動(dòng)機(jī)器人，是一款具有視覺(jué)、導(dǎo)逡逑航、移動(dòng)平臺(tái)及雙機(jī)械臂的綜合性設(shè)備；Ｋｕｋａ公司也推出專門用于教育與研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移動(dòng)機(jī)器人，如圖１．３。目前，國(guó)內(nèi)外高校正在針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)研究，如，逡逑斯坦福大學(xué)［１４］、卡耐基梅�。保保担焙图又荽髮W(xué)伯克利分校Ｉ１６１等國(guó)際著名高等院校也對(duì)移動(dòng)逡逑機(jī)器人進(jìn)行研究。我國(guó)的高校和研究所也對(duì)移動(dòng)機(jī)器人展開(kāi)了一定研究，例如清華大逡逑學(xué)１｜７１、浙江大學(xué)｜１８１、哈爾濱工業(yè)大學(xué)｜１９１、華中科技大學(xué)１１１１、上海交通大學(xué)ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大學(xué)ｍｉ和華南理工大學(xué)等。與國(guó)外相比，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)仍存在一定差距。逡逑２逡逑

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本文編號(hào)：2754245