運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是機(jī)器人學(xué)研究中的重要領(lǐng)域,尤其是對(duì)于并聯(lián)機(jī)器人,由于其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和奇異位形的特殊性,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的研究顯得更為重要。工作空間可達(dá)路徑的尋找和無奇異規(guī)劃,是并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的兩個(gè)主要任務(wù)。在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中,分別采用過圖論法、人工勢(shì)場(chǎng)法和非線性優(yōu)化等方法來解決上述問題。然而針對(duì)以Stewart為代表的多自由度并聯(lián)機(jī)器人,上述方法均存在一定問題。為了解決多自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題,首先從Stewart并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和奇異性出發(fā),分析了并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)相對(duì)于一般機(jī)器人的特殊性�；谏鲜龇治�,有針對(duì)性地提出了一種新的仿生運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。通過對(duì)仿生彈性梁的非線性力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,得以在高維空間中模擬彈性梁與外界作用的形變機(jī)理,并將該機(jī)理應(yīng)用到基本的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)中,稱為彈性運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。為了在并聯(lián)機(jī)器人中使用該算法,本文分析了并聯(lián)機(jī)器人工作空間的幾何特性,建立了關(guān)節(jié)限位與算法排斥量之間的映射關(guān)系;同時(shí)分析了并聯(lián)機(jī)器人的條件數(shù)分布,通過一種鄰域搜索方法再次建立了奇異性與排斥量之間的映射關(guān)系。最后,提出了具有普適性的并聯(lián)機(jī)器人彈性運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法,并通過系列仿真實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：102 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

描述空間機(jī)械手需要位置和姿態(tài)共6個(gè)自由度

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)器人，其位形可以用關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角(θ1,θ2)來描述。需要注意的是，位形的描述方法不是唯一的，例如上述位形同樣可以用機(jī)器人末端的笛卡爾坐標(biāo)(x,y)來描述。位形空間是機(jī)器人所有位形的集合，位形空間中的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著機(jī)器人的唯一位形[7]。圖1-1描述空間機(jī)械手需要位置和姿態(tài)共6個(gè)自由度如圖1-1所示機(jī)械手的處于笛卡爾空間中，其可以分別沿x,y,z軸平移與旋轉(zhuǎn)。因此，如果要描述其位形，至少需要六個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。最廣泛使用描述工具是位姿矩陣T，其獨(dú)立參數(shù)分別為沿三個(gè)坐標(biāo)軸的位置坐標(biāo)(px,py,pz)和旋轉(zhuǎn)角(γ,β,α)。最基本的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，就是大型物體在狹窄空間中的搬運(yùn)問題，又稱鋼琴移動(dòng)問題[8]。如圖所示，將矩形物體從黃色區(qū)域搬運(yùn)到綠色區(qū)域。為防止碰撞，需要時(shí)刻調(diào)整物體的位置和姿態(tài)，如黑色虛線框所示。物體的搬運(yùn)起點(diǎn)和搬運(yùn)終點(diǎn)分別為該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)的起始和目標(biāo)位形。圖1-2鋼琴移動(dòng)問題如果機(jī)器人的某個(gè)位形既不會(huì)產(chǎn)生碰撞，又不超出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的極限，就稱其為自由位形qfree。自由位形所組成的空間稱為自由位形空間Cfree�；诖耍梢詫�(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)進(jìn)行如下嚴(yán)格定義：對(duì)于給定的機(jī)器人初始狀態(tài)x(0)=xstart和目標(biāo)狀態(tài)xgoal，尋找一組控制量u:[0,T]，使得x(T)=xgoal。且對(duì)所有t∈[0,T]，都有q(x(t))∈Cfree。然而值得指出的是，不同的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)之間既有相同點(diǎn)，也存在一定差異。相同之處在于，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究的對(duì)象是抽象工作空間而非具體的機(jī)器人對(duì)象，如圖1-3所示，無論是對(duì)于平面移動(dòng)機(jī)器人、兩自由度串聯(lián)機(jī)械臂還是三自-3-

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文a)移動(dòng)機(jī)器人b)串聯(lián)機(jī)器人c)并聯(lián)機(jī)器人圖1-3不同機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)的相同點(diǎn)與差異由度平面并聯(lián)機(jī)器人（姿態(tài)角始終為0時(shí)），其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究對(duì)象都可以抽象為下方圖片所示的空間。然而，每一類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所要考慮的具體問題又是不同的，例如平面機(jī)器人的不可達(dá)空間是外部障礙物，而串聯(lián)機(jī)器人還必須考慮自身的關(guān)節(jié)限位，其關(guān)節(jié)空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也和移動(dòng)機(jī)器人有所不同。而對(duì)于右圖的并聯(lián)機(jī)器人來說，當(dāng)規(guī)劃對(duì)象是末端笛卡爾位置時(shí)，其需要考慮的問題有兩個(gè)：如何規(guī)避關(guān)節(jié)行程限制引起的不可達(dá)位形，以及如何避免進(jìn)入奇異和病態(tài)位形。實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)并聯(lián)機(jī)器人，由于其工作空間相對(duì)較小，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃對(duì)避障的需求都不大，需要考慮的是關(guān)節(jié)的行程邊界和奇異點(diǎn)[9]。對(duì)于常見的串聯(lián)機(jī)器人，其各關(guān)節(jié)間在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是相互獨(dú)立的，可以直接在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行規(guī)劃；而并聯(lián)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是耦合的，其關(guān)節(jié)坐標(biāo)必須滿足并聯(lián)機(jī)器人的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，而獨(dú)立規(guī)劃各關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的結(jié)果很難滿足該方程。在奇異性層面上，并聯(lián)機(jī)器人只能在末端位形空間上計(jì)算奇異性。因此，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，多數(shù)時(shí)候只能像圖1-3c)中一樣，在末端工作空間中進(jìn)行，而非在關(guān)節(jié)空間中。值得一提的是，并聯(lián)機(jī)器人還存在一類特殊的規(guī)劃問題，即并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。在這類問題中，不僅要滿足運(yùn)動(dòng)路徑的無奇異性，還需要讓末端具有沿路徑的剛度和精度，以發(fā)揮并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。2000年，Merlet利用Stewart機(jī)器人的多余自由度來調(diào)整其沿路徑的剛度[10]；2003年，Chen在他們的研究中對(duì)機(jī)器人的自由度進(jìn)行了分級(jí)，以盡量滿足主要自由度的精度[11]。1.2.2并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀最早的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究開始于1950年代，到目前

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
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