多機(jī)器人系統(tǒng)避障與最優(yōu)協(xié)調(diào).pdf

1、與單機(jī)器人構(gòu)成的系統(tǒng)相比,多機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器人與機(jī)器人之間的合作與協(xié)調(diào)使系統(tǒng)工作性能提升、工作效率加快、柔性增強(qiáng)、魯棒性更好。因此,多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,成為目前機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、難點(diǎn)。一方面,機(jī)器人與機(jī)器人之間的合作與協(xié)調(diào)使多機(jī)器人系統(tǒng)性能非線性大幅提升,另一方面也使系統(tǒng)復(fù)雜性顯著提高。多機(jī)器人系統(tǒng)研究涉及的問(wèn)題涵蓋路徑/軌跡規(guī)劃,碰撞檢測(cè),避障策略,協(xié)調(diào)策略等方方面面。但貫穿其始終的一個(gè)問(wèn)題是沖突避免與沖突解決。其中,最為基

2、本也最為重要的一種沖突是機(jī)器人與機(jī)器人之間、機(jī)器人與已知環(huán)境的碰撞沖突。多機(jī)器人系統(tǒng)的碰撞避免是保證其安全、有效工作的前提和基礎(chǔ)。
　　對(duì)于共享工作空間的多機(jī)器人系統(tǒng),一方面可通過(guò)人工勢(shì)場(chǎng)、概率地圖等協(xié)同路徑搜索方法尋求多機(jī)器人的無(wú)碰撞路徑。另一方面可采用集中式或解耦式的協(xié)調(diào)控制方式規(guī)避多機(jī)器人系統(tǒng)可能存在的碰撞。由于工業(yè)機(jī)器人自由度多、運(yùn)動(dòng)方式復(fù)雜、機(jī)構(gòu)眾多,目前對(duì)多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同路徑搜索等避障策略和協(xié)調(diào)控制方法研究還不夠

3、完備,一般限于對(duì)雙臂機(jī)器人或雙機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究,因此研究適用于多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的避障和協(xié)調(diào)控制算法具有現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。
　　圍繞多機(jī)器人系統(tǒng)的避障與最優(yōu)協(xié)調(diào),本文從碰撞檢測(cè)算法、避障與協(xié)調(diào)策略兩個(gè)大的層面展開(kāi)研究,主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)綜述基于分離距離的碰撞檢測(cè)算法。首先分析機(jī)器人、數(shù)控裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多體碰撞檢測(cè)算法檢測(cè)流程。按是否返回物體間的最小距離,將碰撞檢測(cè)算法分為基于分離距離的碰撞檢測(cè)算法(接近查

4、詢)和非基于分離距離的碰撞檢測(cè)算法。其次,就精確檢測(cè)階段分離距離計(jì)算所應(yīng)用的基本原理對(duì)基于分離距離的碰撞檢測(cè)算法從包圍體層次樹(shù)、代數(shù)幾何、幾何特征、單純形法、數(shù)學(xué)規(guī)劃、距離場(chǎng)等區(qū)分角度進(jìn)行分析與討論。再次,歸納與總結(jié)碰撞檢測(cè)對(duì)象正朝著多表現(xiàn)形式、非凸、有形變、多物體發(fā)展,碰撞檢測(cè)算法正朝著動(dòng)態(tài)檢測(cè)、連續(xù)檢測(cè)、并行化發(fā)展。最后,指出碰撞檢測(cè)算法亟待解決的一些問(wèn)題。
　　(2)提出基于二階錐規(guī)劃的超二次曲面間分離距離計(jì)算算法。該算法以

5、復(fù)雜物體的描述基元超二次曲面為研究對(duì)象,將超二次曲面之間的分離距離計(jì)算問(wèn)題寫成帶分?jǐn)?shù)指數(shù)約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題。借助一種將分?jǐn)?shù)指數(shù)約束轉(zhuǎn)化為一組(旋轉(zhuǎn))二階錐與一組線性約束交集的算法將NLP轉(zhuǎn)化為SOCP。最后采用一種新的原始-對(duì)偶預(yù)估-校正內(nèi)點(diǎn)算法求解該SOCP,實(shí)現(xiàn)超二次曲面之間的精確接近查詢。該算法特別適用于靜態(tài)碰撞檢測(cè)精確檢測(cè)階段的接近查詢,實(shí)現(xiàn)直線平移超二次曲面的連續(xù)碰撞檢測(cè)。
　　(3)采用延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)空置換策略,實(shí)現(xiàn)多

6、機(jī)器人系統(tǒng)的避障與最優(yōu)協(xié)調(diào)。以車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下給定軌跡的多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)(不限于二臺(tái))為研究對(duì)象。通過(guò)定義規(guī)范化路徑和規(guī)范化軌跡,將機(jī)器人連桿與連桿之間的空間碰撞信息反映射為時(shí)間碰撞信息。采用延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)空置換策略,推導(dǎo)多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)碰撞的充分條件和最優(yōu)協(xié)調(diào)的必要條件,并分別建立兩種條件下的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。最后通過(guò)雙工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)下的六組仿真實(shí)驗(yàn)和三工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)下的一組仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出算法正確性。
　　(4)開(kāi)發(fā)多機(jī)器人