全方位移動仿人型機器人運動規(guī)劃研究.pdf

1、全方位移動仿人型機器人具有平面移動靈活性和可模擬人類上肢操作的特點，是服務(wù)機器人研究領(lǐng)域中的一個前沿應(yīng)用課題，在家政服務(wù)、餐廳接待、賓客導(dǎo)引等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
　　 由于全方位移動仿人型機器人工作環(huán)境具有動態(tài)非結(jié)構(gòu)性，機器人必須具備智能化運動的能力來適應(yīng)環(huán)境的變化。而全方位移動仿人型機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度數(shù)目較多，其幾何約束、運動和驅(qū)動力約束下的在線運動規(guī)劃問題的研究具有很大挑戰(zhàn)性。
　　 本文以自主開發(fā)的全

2、方位移動仿人型機器人系統(tǒng)為對象，以實現(xiàn)動態(tài)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中機器人無碰撞搬運物料操作的在線運動規(guī)劃為研究目的，由于受起始、終止位形約束和受工作空間運動過程中的姿態(tài)約束，因此對運動學(xué)奇異規(guī)避、無碰撞路徑規(guī)劃和時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃及軌跡跟蹤魯棒性問題進行了有創(chuàng)新性的研究，提出了一些新的方法并做了大量仿真和實驗驗證。論文的主要工作如下：
　　 (1)在工作空間中，針對全方位移動仿人型機器人末端執(zhí)行器的路徑規(guī)劃過程要求末端執(zhí)行器位姿變換的平滑和連

3、續(xù)性，采用了四元數(shù)方法描述末端執(zhí)行器在工作空間中的旋轉(zhuǎn)運動。針對機器人從工作空間向位形空間映射的逆運動學(xué)計算和奇異問題，基于全方位移動仿人型機器人運動的自主性特點，采用了結(jié)合機器人速度比橢球修改工作空間期望運動軌跡在線規(guī)避機器人奇異位形的方法，并通過構(gòu)造多目標融合的二次目標函數(shù)，計算機器人的優(yōu)化運動路徑。
　　 (2)全方位移動仿人型機器人在動態(tài)非結(jié)構(gòu)環(huán)境中運動時，需要具備實時判斷運動的安全性和完成任務(wù)的能力。由于自由度數(shù)較多，

4、在結(jié)合算法完備性和效率基礎(chǔ)上，本文提出了基于隨機路標法（PRM）和快速隨機擴展樹方法（RRT）的綜合路徑規(guī)劃方法。其中，隨機路標法可以為快速隨機擴展樹提供根節(jié)點，并搜索位形空間內(nèi)最短自由路徑，而基于快速隨機擴展樹的方法則用于搜索滿足工作空間位姿約束的位形空間節(jié)點。該方法通過獲取完整的環(huán)境信息模型，為全方位移動仿人型機器人在線規(guī)劃出一條無碰撞的運動路徑。對于傳感器測量范圍受限制的情況，可通過運動路徑規(guī)劃的優(yōu)化來保證機器人在運動過程中對傳感

5、測控目標感知的可靠性。
　　 (3)本文針對機器人電機驅(qū)動能力有限以及離散控制模式的特點，提出了根據(jù)在線規(guī)劃的無碰撞運動路徑進行時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的方法。該方法采用四階三次B樣條曲線擬合原始路徑節(jié)點，構(gòu)造離散軌跡搜索圖，并通過建立機器人動力學(xué)模型規(guī)劃時間最優(yōu)運動軌跡。同時，針對離散控制模式，對連續(xù)時間最優(yōu)軌跡按照控制周期間隔進行了離散化處理，并通過控制器設(shè)計解決了存在擾動情況下的軌跡跟蹤魯棒性問題。
　　 (4)為驗證本文