運動規(guī)劃是機器人學研究中的重要領域,尤其是對于并聯(lián)機器人,由于其運動結構和奇異位形的特殊性,運動規(guī)劃方法的研究顯得更為重要。工作空間可達路徑的尋找和無奇異規(guī)劃,是并聯(lián)機器人運動規(guī)劃的兩個主要任務。在國內外的相關研究中,分別采用過圖論法、人工勢場法和非線性優(yōu)化等方法來解決上述問題。然而針對以Stewart為代表的多自由度并聯(lián)機器人,上述方法均存在一定問題。為了解決多自由度并聯(lián)機器人的運動規(guī)劃問題,首先從Stewart并聯(lián)機器人的運動學和奇異性出發(fā),分析了并聯(lián)機器人運動規(guī)劃任務相對于一般機器人的特殊性�；谏鲜龇治�,有針對性地提出了一種新的仿生運動規(guī)劃方法。通過對仿生彈性梁的非線性力學進行數(shù)學建模,得以在高維空間中模擬彈性梁與外界作用的形變機理,并將該機理應用到基本的機器人運動規(guī)劃任務中,稱為彈性運動規(guī)劃算法。為了在并聯(lián)機器人中使用該算法,本文分析了并聯(lián)機器人工作空間的幾何特性,建立了關節(jié)限位與算法排斥量之間的映射關系;同時分析了并聯(lián)機器人的條件數(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系。最后,提出了具有普適性的并聯(lián)機器人彈性運動規(guī)劃方法,并通過系列仿真實驗予以驗證... 

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

【文章頁數(shù)】：102 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

描述空間機械手需要位置和姿態(tài)共6個自由度

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文機器人，其位形可以用關節(jié)的旋轉角(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器人末端的笛卡爾坐標(x,y)來描述。位形空間是機器人所有位形的集合，位形空間中的每個點對應著機器人的唯一位形[7]。圖1-1描述空間機械手需要位置和姿態(tài)共6個自由度如圖1-1所示機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。因此，如果要描述其位形，至少需要六個獨立的參數(shù)。最廣泛使用描述工具是位姿矩陣T，其獨立參數(shù)分別為沿三個坐標軸的位置坐標(px,py,pz)和旋轉角(γ,β,α)。最基本的機器人運動規(guī)劃問題，就是大型物體在狹窄空間中的搬運問題，又稱鋼琴移動問題[8]。如圖所示，將矩形物體從黃色區(qū)域搬運到綠色區(qū)域。為防止碰撞，需要時刻調整物體的位置和姿態(tài)，如黑色虛線框所示。物體的搬運起點和搬運終點分別為該運動規(guī)劃任務的起始和目標位形。圖1-2鋼琴移動問題如果機器人的某個位形既不會產(chǎn)生碰撞，又不超出關節(jié)運動的極限，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�，可以對機器人運動規(guī)劃任務進行如下嚴格定義：對于給定的機器人初始狀態(tài)x(0)=xstart和目標狀態(tài)xgoal，尋找一組控制量u:[0,T]，使得x(T)=xgoal。且對所有t∈[0,T]，都有q(x(t))∈Cfree。然而值得指出的是，不同的機器人運動規(guī)劃任務之間既有相同點，也存在一定差異。相同之處在于，運動規(guī)劃研究的對象是抽象工作空間而非具體的機器人對象，如圖1-3所示，無論是對于平面移動機器人、兩自由度串聯(lián)機械臂還是三自-3-

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

【參考文獻】：
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博士論文
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碩士論文
[1]受擬態(tài)章魚模仿能力啟發(fā)的仿生機器人研究[D]. 徐東飛.杭州電子科技大學 2018
[2]基于四驅平臺小車路徑規(guī)劃和路徑跟蹤研究[D]. 倪明.西安電子科技大學 2015
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本文編號：3453639