室内移动机器人自主导航与抓取规划

发布时间：2017-03-25 07:08

  本文关键词：室内移动机器人自主导航与抓取规划，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,移动机器人已经是机器人技术中非常火热的研究领域,而且不断向自主智能化的方向发展,代表着机电一体化的最高成就。相比传统的工业机器人,智能移动机器人具有自主感知、决策和执行的能力,在众多领域特别是家庭、教育、服务以及物流行业中得到广泛的应用与推广。本文对全向移动机械臂展开研究,包含机器人的自主导航与机械臂的自主抓取。研究工作主要从以下几个方面展开：首先,以youBot机器人作为研究对象,搭建HOKUYO二维激光测距仪和Xtion三维深度相机作为传感器输入,并搭建机器人的ROS软件平台,对全方位移动平台进行运动学建模分析,推导出四轮的运动与移动平台在地面坐标系中的对应位置关系,为后面移动平台的导航做准备。其次,介绍移动机器人SLAM技术,通过基于粒子滤波器的FastSLAM技术实现了移动平台的自动建图,通过A*算法实现了移动平台的路径规划,并在软件平台上得到实现。再次,对全向移动机械臂进行建模分析。先单独对机械臂运用D-H建模方法建立其正向运动学,通过MATLAB仿真验证其正确性,并求得了其的工作空间。接着对逆向运动学求解,编写C++逆解程序得出机械臂的所有逆解,并在MATLAB上得到正确验证,根据机械臂大臂少动的能量最优原则选出最优逆解。然后建立全方位移动机械臂的8自由度运动学模型,根据机械臂的工作空间,先确定移动平台方位的三个变量,为移动平台导航提供目标点信息,再根据机械臂逆运动学求解出各关节角度,为机械臂的轨迹规划做准备。最后,通过笔记本电脑实现对机器人的网络监控,在实验室环境具有障碍物通道中进行机器人自主导航实验,证明了SLAM算法和路径规划算法的可行性。配置机械臂在MoveIt!下的仿真环境,当机械臂进入到抓取的工作范围时,通过Xtion深度相机的标定工作,能够识别出目标物体的位姿,针对MoveIt!下的KDL求解器得不出机械臂的逆解问题,通过配置新的求解器能够得到很好的解答。最终采用新求解器对识别的目标物体位姿求解,将得出的各关节角度运用过路径点的五次多项式插值实现了"pick and place"操作仿真和实验,保证了各关节在过渡点处的关节位移、关节速度和关节加速度的连续平滑,为实现移动机械臂在真实环境中的抓取做了重要的准备。
【关键词】：移动机械臂 全向移动平台 ROS SLAM 逆运动学 轨迹规划
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 论文研究背景和意义14-15
• 1.2 移动机械臂研究现状15-16
• 1.3 导航与规划研究现状16-21
• 1.3.1 移动机器人导航研究现状16-19
• 1.3.2 移动机器人路径规划研究现状19-20
• 1.3.3 移动机械臂运动规划研究现状20-21
• 1.4 研究课题的来源及主要研究内容21-23
• 第二章 机器人平台构建与移动平台运动学分析23-34
• 2.1 移动机械臂构建23-25
• 2.1.1 youBot机器人介绍23-24
• 2.1.2 传感系统与平台构建24-25
• 2.2 ROS的基本介绍25-27
• 2.2.1 ROS的系统架构26
• 2.2.2 ROS的计算图级26-27
• 2.2.3 ROS平台初步搭建27
• 2.3 移动平台运动学分析27-32
• 2.3.1 全方位移动平台的运动学建模27-31
• 2.3.2 全方位移动平台的位移求解31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 移动机器人自主导航34-44
• 3.1 移动机器人的自主导航34-40
• 3.1.1 移动机器人SLAM的数学描述34-35
• 3.1.2 FastSLAM35-38
• 3.1.3 基于A~*算法的路径规划38-40
• 3.2 移动平台自主导航的实现40-43
• 3.2.1 移动平台SLAM实现40-42
• 3.2.2 移动平台导航实现42-43
• 3.3 本章小结43-44
• 第四章 移动机械臂运动学分析44-60
• 4.1 机械臂正向运动学44-49
• 4.1.1 连杆变换通式与运动学方程44-45
• 4.1.2 机械臂的D-H建模45-47
• 4.1.3 机械臂正向运动学47-48
• 4.1.4 机械臂的工作空间分析48-49
• 4.2 机械臂逆向运动学49-57
• 4.2.1 逆向运动学封闭解49
• 4.2.2 机械臂逆向运动学求解49-54
• 4.2.3 机械臂逆向运动学验证54-57
• 4.3 全方位移动机械臂运动学57-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 移动机械臂的自主导航抓取实验与仿真60-74
• 5.1 移动平台自主导航实验60-63
• 5.1.1 移动平台网络监控实现60
• 5.1.2 移动平台自主导航实验60-63
• 5.2 机械臂在MoveIt!下的仿真实验63-72
• 5.2.1 配置MoveIt!仿真环境63-65
• 5.2.2 深度相机Xtion标定65-67
• 5.2.3 机械臂抓取轨迹规划67-70
• 5.2.4 机械臂的抓取仿真实验70-72
• 5.3 本章小结72-74
• 总结与展望74-76
• 参考文献76-81
• 致谢81-83
• 附录83-84

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