移动机器人冗余特性下的运动规划与协调控制

发布时间：2020-07-14 01:06

【摘要】：移动机器人是近年机器人研究中快速发展的领域,主要可以划分为移动平台及具有操作臂的移动机械臂两种形式。运动规划和控制是目前关于移动机器人研究的主要内容,吸引了大量学术界和工业界研究人员的关注。其中,冗余特性是目前移动机器人运动规划和控制研究面临的一个重要挑战和难题,其主要包含两个方面:移动平台多轮独立驱动导致的冗余特性和移动平台结合机械臂引起的冗余运动学自由度。本文分别针对冗余驱动移动平台,创新地提出了兼顾车体运动跟踪性能和驱动车轮运动协调的控制理念,设计了多层结构自适应鲁棒协调控制策略;针对具有冗余运动学自由度的移动机械臂,提出一套车臂一体协调运动的规划方法,从而实现移动机器人冗余特性运动规划和协调控制。论文分析了多轮独立驱动移动平台的结构特点,明确了该类移动平台控制问题与传统的两轮驱动移动平台控制问题之间的重要区别——冗余驱动特性可能导致车体轨迹跟踪与驱动车轮运动无法同时协调的问题。为了实现此类移动平台控制性能的提升,需要针对以上关键控制问题展开研究。目前,关于冗余驱动移动平台的动力学模型研究尚不完善,且现在基于运动学的运动分配控制方法无法满足更高性能控制的要求。为解决以上问题,本文在深入研究冗余驱动移动平台模型后,先提出了一种简单有效的自适应运动分配方法,然后进一步提出了一种多层结构自适应鲁棒协调控制策略以获得更好车体轨迹跟踪性能的同时协调各驱动车轮运动。另外,本文针对移动机械臂系统,深入研究了移动机械臂的运动学机理,明确了冗余运动学自由度是移动机械臂运动规划存在的主要难题。为了解决以上问题,本文在深入研究移动机械臂模型后,提出一种基于优化方法的移动机械臂运动规划方法以实现移动机械臂在目标约束(构型空间,笛卡尔空间)、关节运动约束、稳定性约束和障碍约束下的一体化运动规划策略。论文首先探索冗余驱动移动平台的多系统耦合建模方法:所提的机理建模分析方法对冗余驱动移动平台各部件给出了完整的运动学和动力学转换关系,对车轮/地面交互作用给出了详细的描述;然后,论文研究了一种基于运动学模型的运动分配控制方法:所设计的控制器方法简单、易于工程实现等优点,通过轨迹跟踪层+运动分配层两层控制结构,分别设计自适应鲁棒控制算法和自适应运动分配算法,在具有车轮滑动情况下能够取得更高的车体运动性能。进一步,论文提出兼顾车体运动跟踪与驱动协调的三层结构控制方法:高层基于车体动力学设计自适应鲁棒轨迹跟踪控制方法,获得车体期望总驱动力与扭矩;中层针对冗余驱动问题,考虑车轮/地面交互作用关系实现控制分配,将来自高层的驱动力和扭矩转化为各车轮期望滑差率;底层实现滑差率控制,保证了系统的稳定,并实现了性能的进一步提升。理论及对比实验研究表明,所提出的自适应运动分配控制方法和同时协调车体运动跟踪及车轮运动的控制方法能够在目前方法上进一步提高性能,具有优越的理论性能和鲁棒实用价值,是解决冗余驱动移动平台控制的有效途径;最后,论文针对具有冗余运动学自由度的移动机械臂,提出了一种基于优化方法的运动规划方法:通过分析移动机械臂存在的目标约束、关节约束、稳定性约束和障碍约束,设计路径最短优化目标,规划出移动机械臂运动轨迹,同时协调车体运动和机械臂运动,实现一体化运动规划。理论及对比实验研究表明,所提出的一体化运动规划方法能够实现移动机械臂的运动协调,是解决具有冗余自由度移动机械臂运动规划的有效方法。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

曑逡逑ｉｌ＾逡逑图１．１固定基座机械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑图１．２移动机器人平台逡逑的采样；２０１３年中国向月球发射了邋“玉兔号”机器人，实现对月球的探索及采样；日本逡逑消防中心装备的Ｒｏｂｏｃｕｅ机器人能用于火灾、地震等危险环境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移动机器人是目前研究领域一款典型的移动机器人，是一款具有视觉、导逡逑航、移动平台及双机械臂的综合性设备；Ｋｕｋａ公司也推出专门用于教育与研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移动机器人，如图１．３。目前，国内外高校正在针对移动机器人相关领域展开研究，如，逡逑斯坦福大学［１４］、卡耐基梅隆１１５１和加州大学伯克利分校Ｉ１６１等国际著名高等院校也对移动逡逑机器人进行研究。我国的高校和研究所也对移动机器人展开了一定研究，例如清华大逡逑学１｜７１、浙江大学｜１８１、哈尔滨工业大学｜１９１、华中科技大学１１１１、上海交通大学ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大学ｍｉ和华南理工大学等。与国外相比，我国的移动机器人技术仍存在一定差距。逡逑２逡逑

图１．１固定基座机械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑图１．２移动机器人平台逡逑的采样；２０１３年中国向月球发射了邋“玉兔号”机器人，实现对月球的探索及采样；日本逡逑消防中心装备的Ｒｏｂｏｃｕｅ机器人能用于火灾、地震等危险环境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移动机器人是目前研究领域一款典型的移动机器人，是一款具有视觉、导逡逑航、移动平台及双机械臂的综合性设备；Ｋｕｋａ公司也推出专门用于教育与研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移动机器人，如图１．３。目前，国内外高校正在针对移动机器人相关领域展开研究，如，逡逑斯坦福大学［１４］、卡耐基梅隆１１５１和加州大学伯克利分校Ｉ１６１等国际著名高等院校也对移动逡逑机器人进行研究。我国的高校和研究所也对移动机器人展开了一定研究，例如清华大逡逑学１｜７１、浙江大学｜１８１、哈尔滨工业大学｜１９１、华中科技大学１１１１、上海交通大学ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大学ｍｉ和华南理工大学等。与国外相比，我国的移动机器人技术仍存在一定差距。逡逑２逡逑

曑逡逑ｉｌ＾逡逑图１．１固定基座机械臂逡逑ｆｆｌＢＥ逡逑图１．２移动机器人平台逡逑的采样；２０１３年中国向月球发射了邋“玉兔号”机器人，实现对月球的探索及采样；日本逡逑消防中心装备的Ｒｏｂｏｃｕｅ机器人能用于火灾、地震等危险环境下的救援；Ｗｉｌｌｏｗ邋Ｇａｒａｇｅ逡逑公司研制ＰＲ２移动机器人是目前研究领域一款典型的移动机器人，是一款具有视觉、导逡逑航、移动平台及双机械臂的综合性设备；Ｋｕｋａ公司也推出专门用于教育与研究的ｙｏｕｂｏｔ逡逑移动机器人，如图１．３。目前，国内外高校正在针对移动机器人相关领域展开研究，如，逡逑斯坦福大学［１４］、卡耐基梅隆１１５１和加州大学伯克利分校Ｉ１６１等国际著名高等院校也对移动逡逑机器人进行研究。我国的高校和研究所也对移动机器人展开了一定研究，例如清华大逡逑学１｜７１、浙江大学｜１８１、哈尔滨工业大学｜１９１、华中科技大学１１１１、上海交通大学ｌ２Ｇ１、北京理逡逑工大学ｍｉ和华南理工大学等。与国外相比，我国的移动机器人技术仍存在一定差距。逡逑２逡逑

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本文编号：2754245