8自由度輪式移動(dòng)操作機(jī)避障能力及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究.pdf

1、移動(dòng)操作機(jī)是一種由移動(dòng)平臺(tái)及安裝其上的機(jī)械臂組成的機(jī)器人系統(tǒng)，具備大范圍移動(dòng)及作業(yè)能力，在助老助殘、災(zāi)難救援、排險(xiǎn)排爆等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是移動(dòng)操作機(jī)需要解決的重要問(wèn)題，但由于8自由度輪式移動(dòng)操作機(jī)(8 Degree Wheeled Mobile Manipulator,8D-WMM)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來(lái)的非完整冗余特性，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題較傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人和冗余度機(jī)器人更為復(fù)雜，且8D-WMM一般工作于多障礙復(fù)雜環(huán)境下，如何合理利用其

2、冗余度提升障礙環(huán)境下的作業(yè)能力具有重要的研究意義。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在輪式移動(dòng)操作機(jī)的機(jī)構(gòu)綜合及面向避障性能的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化方面缺乏系統(tǒng)性的研究，無(wú)法充分發(fā)揮該構(gòu)型機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的靈活作業(yè)能力。為此，論文對(duì)8D-WMM的運(yùn)動(dòng)學(xué)、避障能力、面向避障作業(yè)的移動(dòng)平臺(tái)和末端操作器路徑規(guī)劃方法、滿(mǎn)足在線(xiàn)避障要求的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化方法等進(jìn)行深入研究，并建立面向助老助殘服務(wù)任務(wù)的8D-WMM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　由于8D-WMM含有非完

3、整約束，不易得到自運(yùn)動(dòng)流形解析解，論文結(jié)合8D-WMM關(guān)節(jié)軸線(xiàn)的幾何分布特點(diǎn)，基于運(yùn)動(dòng)等效思想，以向量代數(shù)為工具，對(duì)8D-WMM運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了研究，求解了8D-WMM自運(yùn)動(dòng)流形的解析解；并將移動(dòng)平臺(tái)視為廣義運(yùn)動(dòng)副，利用速度疊加原理完成了雅可比矩陣的求解。
　　針對(duì)冗余度機(jī)器人在避障能力方面評(píng)價(jià)困難問(wèn)題，通過(guò)對(duì)桿件自運(yùn)動(dòng)軌跡的空間度量，提出并建立了具有幾何意義的冗余度機(jī)器人通用避障能力指標(biāo)—避障活動(dòng)度，通過(guò)平面3自由度冗余機(jī)器人和8D

4、-WMM分析了避障活動(dòng)度的求解方法，進(jìn)而利用該指標(biāo)分析了機(jī)器人桿件參數(shù)對(duì)上述兩種機(jī)器人避障能力的影響。
　　在路徑規(guī)劃方面，首先對(duì)8D-WMM的典型作業(yè)環(huán)境和典型障礙物進(jìn)行了分析，繼而利用8D-WMM自運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，結(jié)合機(jī)械臂關(guān)節(jié)構(gòu)型的特點(diǎn)，給出了平頂、斜頂、曲頂?shù)雀黝?lèi)障礙物的可回避性判據(jù)，并分析了移動(dòng)操作機(jī)可避障域的求解方法，最后給出了面向可避障域的移動(dòng)平臺(tái)路徑規(guī)劃算法和面向障礙物輪廓的機(jī)械臂路徑規(guī)劃算法。
　　在面向避障

5、的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化算法方面，從自運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，借助自運(yùn)動(dòng)流形的求解結(jié)果，提出了一種更適于避障作業(yè)的冗余度機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化算法，解決了現(xiàn)有算法在位移精度和計(jì)算量方面的不足。并通過(guò)平面3自由度機(jī)器人軌跡跟蹤和8D-WMM執(zhí)行窗口作業(yè)的仿真實(shí)例，驗(yàn)證了算法的可行性。
　　最后，應(yīng)用避障能力的分析結(jié)果，面向助老助殘任務(wù)構(gòu)建了8D-WMM的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了機(jī)械本體、控制系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上利用該平臺(tái)完成了自運(yùn)動(dòng)流形、可避障方向