本文關(guān)鍵詞：面向救援任務(wù)的雙臂機(jī)器人協(xié)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：日本的福島核事故,天津的危險(xiǎn)品爆炸等重大的災(zāi)難性事故發(fā)生后,研發(fā)出一種能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下救災(zāi)救援機(jī)器人,成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn),也是重大基礎(chǔ)性的課題,具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)這些特殊應(yīng)用,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃局(DARPA)舉辦了世界性級(jí)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)挑戰(zhàn)賽(DRC),希望通過(guò)比賽,研制出能夠使用救援工具執(zhí)行救災(zāi)任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng),并且能夠得到實(shí)際應(yīng)用。雙臂機(jī)器人是最有可能完成這些動(dòng)作和任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。為解決傳統(tǒng)6自由度手臂的雙臂機(jī)器人存在無(wú)法避免空間奇異點(diǎn)、避障等弱點(diǎn),模擬人雙臂強(qiáng)大的作業(yè)能力和運(yùn)動(dòng)靈活性,本論文自主研發(fā)了一款具有冗余自由度的雙臂協(xié)作機(jī)器人樣機(jī),冗余自由度使得在雙臂執(zhí)行器末端位姿不變的前提下機(jī)器人具備避奇異、避障、避關(guān)節(jié)極限、優(yōu)化關(guān)節(jié)力矩等能力,同時(shí),也增強(qiáng)了雙臂機(jī)器人操作能力、負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)靈活性。在該樣機(jī)平臺(tái)上,論文主要解決了冗余自由度雙臂運(yùn)動(dòng)逆解算法、面向任務(wù)層面上的雙臂運(yùn)動(dòng)和力規(guī)劃以及雙臂協(xié)調(diào)控制四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：1)提出了具有冗余自由度的雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和算法研究。采用D-H方法建立了雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,在綜合考慮冗余特性的基礎(chǔ)上,如避奇異,避關(guān)節(jié)極限等,提出了一種新的七自由度冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)封閉逆解算法,解決了數(shù)值算法中難以確定初始值以及存在累積誤差等問(wèn)題。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和逆解算法的快速有效性。2)提出了一種普適性的對(duì)稱(chēng)式雙臂協(xié)調(diào)操作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究。根據(jù)雙臂間的運(yùn)動(dòng)和力約束關(guān)系,提出了將一個(gè)完整的雙臂協(xié)調(diào)操作過(guò)程劃分為雙臂獨(dú)立、部分約束和全約束協(xié)調(diào)操作三種模式。其次,針對(duì)以上三種協(xié)調(diào)操作模式,給出了雙臂之間、雙臂與被操作物體之間的相對(duì)位姿約束關(guān)系模型,并提出了一種普適性的基于位置層面上的對(duì)稱(chēng)式雙臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該規(guī)劃方法的優(yōu)勢(shì)在于,主從臂具體同等地位,可依據(jù)被操作物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行同時(shí)規(guī)劃,可以有效的避免主從式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中從臂獲取信息延遲的想象。此外,該雙臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法也為冗余自由度雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和力學(xué)計(jì)算提供了理論分析模型。3)開(kāi)展了冗余自由度雙臂機(jī)器人的聯(lián)合動(dòng)力學(xué)和內(nèi)力動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配方法研究。首先,針對(duì)三種雙臂協(xié)調(diào)操作模式,分別對(duì)雙臂、被操作物體動(dòng)力學(xué)以及雙臂與物體的聯(lián)合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模,為雙臂間的力規(guī)劃提供了力學(xué)模型。其次,研究了雙臂在關(guān)節(jié)空間、操作空間以及抓取空間之間的運(yùn)動(dòng)和力的映射關(guān)系。并針對(duì)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)組成的閉鏈多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合問(wèn)題,采用能量最優(yōu)法、最小范數(shù)法和加權(quán)偽逆法三種優(yōu)化方法對(duì)雙臂內(nèi)力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分配,通過(guò)三種優(yōu)化方法的對(duì)比分析得出加權(quán)偽逆法可以實(shí)現(xiàn)雙臂擠壓力為零的分配方法。最后,結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型和內(nèi)力分配方法,針對(duì)雙臂三種操作模式,提出了一種普適性的雙臂作用力規(guī)劃方法,為雙臂協(xié)作力控制器的設(shè)計(jì)提供了力學(xué)模型。4)開(kāi)展了雙臂協(xié)調(diào)控制和實(shí)驗(yàn)研究。首先,以雙臂的相對(duì)位姿控制與作用力控制為控制對(duì)象,提出了兩種基于模型的雙臂協(xié)調(diào)控制方法,以順應(yīng)不同的操作環(huán)境和操作任務(wù)需求。一種是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的位置協(xié)調(diào)控制方法,用于跟蹤雙臂末端位姿、相對(duì)位姿的控制；另一種是基于動(dòng)力學(xué)模型的協(xié)調(diào)力控制方法,以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和力的同步控制。其次,搭建了雙臂控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái),以及給出了通過(guò)多通道協(xié)調(diào)控制功能實(shí)現(xiàn)雙臂運(yùn)動(dòng)中同步和異步程序的并發(fā)執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法。最后,針對(duì)DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽任務(wù),開(kāi)展了雙臂機(jī)器人開(kāi)門(mén)、清除障礙物等實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法的可行性。全文采用理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)冗余自由度雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、運(yùn)動(dòng)和力規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的研究和實(shí)驗(yàn)論證,為具有冗余自由度雙臂機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)提供了可以借鑒的理論,提高了冗余自由度雙臂機(jī)器人應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害或人為災(zāi)害等復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)調(diào)作業(yè)能力,也為在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：雙臂機(jī)器人 冗余運(yùn)動(dòng)學(xué) 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 力規(guī)劃 協(xié)調(diào)控制
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.2 救援雙臂機(jī)器人研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀14-19
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 雙臂協(xié)調(diào)操作關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.3.2 雙臂協(xié)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀22
• 1.3.3 雙臂協(xié)調(diào)操作控制方法研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 研究的關(guān)鍵問(wèn)題24-25
• 1.5 研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排25-27
• 第2章 冗余自由度雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究27-39
• 2.1 雙臂機(jī)器人樣機(jī)27-28
• 2.2 冗余自由度雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解28-30
• 2.3 冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解30-38
• 2.3.1 封閉逆解推導(dǎo)30-32
• 2.3.2 逆解算法32-35
• 2.3.3 逆解算例與實(shí)驗(yàn)35-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 一種基于位置層面上的普適性運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究39-61
• 3.1 雙臂協(xié)作模式規(guī)劃39-41
• 3.2 運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系研究41-48
• 3.2.1 獨(dú)立操作模式41-44
• 3.2.2 部分約束操作模式44-45
• 3.2.3 全約束操作過(guò)程45-48
• 3.3 普適性運(yùn)動(dòng)約束模型48-51
• 3.4 對(duì)稱(chēng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法51-58
• 3.4.1 避障規(guī)劃策略51-52
• 3.4.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程52-54
• 3.4.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算例54-58
• 3.5 本章小結(jié)58-61
• 第4章 聯(lián)合動(dòng)力學(xué)和內(nèi)力動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法研究61-77
• 4.1 動(dòng)力學(xué)研究61-62
• 4.1.1 獨(dú)立操作模式61-62
• 4.1.2 部分約束操作模式62
• 4.1.3 全約束操作模式62
• 4.2 普適性力學(xué)模型及算法研究62-63
• 4.3 運(yùn)動(dòng)與力映射關(guān)系63-64
• 4.4 雙臂內(nèi)力動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配64-71
• 4.4.1 平衡抓取條件64-65
• 4.4.2 內(nèi)力動(dòng)態(tài)分配65-71
• 4.5 雙臂協(xié)作力規(guī)劃71-75
• 4.5.1 力規(guī)劃流程71
• 4.5.2 力規(guī)劃算例71-75
• 4.6 本章小結(jié)75-77
• 第5章 冗余自由度雙臂機(jī)器人協(xié)作控制方法和實(shí)驗(yàn)研究77-107
• 5.1 協(xié)調(diào)控制策略77-78
• 5.2 雙臂位置協(xié)調(diào)控制方法78-80
• 5.3 雙臂力協(xié)調(diào)控制方法80-92
• 5.3.1 位置-速度控制器81-83
• 5.3.2 位置-加速度控制器83-84
• 5.3.3 算例仿真84-92
• 5.4 控制系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)92-97
• 5.4.1 控制系統(tǒng)構(gòu)架92-96
• 5.4.2 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)96-97
• 5.5 獨(dú)立抓取物體實(shí)驗(yàn)97-99
• 5.6 開(kāi)門(mén)實(shí)驗(yàn)99-102
• 5.7 移除障礙物實(shí)驗(yàn)102-104
• 5.8 本章小結(jié)104-107
• 第6章 總結(jié)與展望107-109
• 6.1 全文總結(jié)107-108
• 6.2 研究展望108-109
• 參考文獻(xiàn)109-117
• 附錄117-119
• 致謝119-121
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文121

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  本文關(guān)鍵詞：面向救援任務(wù)的雙臂機(jī)器人協(xié)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：290360