基于弹性梁仿生映射的并联机器人高维运动规划研究
发布时间：2021-10-23 17:59
运动规划是机器人学研究中的重要领域,尤其是对于并联机器人,由于其运动结构和奇异位形的特殊性,运动规划方法的研究显得更为重要。工作空间可达路径的寻找和无奇异规划,是并联机器人运动规划的两个主要任务。在国内外的相关研究中,分别采用过图论法、人工势场法和非线性优化等方法来解决上述问题。然而针对以Stewart为代表的多自由度并联机器人,上述方法均存在一定问题。为了解决多自由度并联机器人的运动规划问题,首先从Stewart并联机器人的运动学和奇异性出发,分析了并联机器人运动规划任务相对于一般机器人的特殊性。基于上述分析,有针对性地提出了一种新的仿生运动规划方法。通过对仿生弹性梁的非线性力学进行数学建模,得以在高维空间中模拟弹性梁与外界作用的形变机理,并将该机理应用到基本的机器人运动规划任务中,称为弹性运动规划算法。为了在并联机器人中使用该算法,本文分析了并联机器人工作空间的几何特性,建立了关节限位与算法排斥量之间的映射关系;同时分析了并联机器人的条件数分布,通过一种邻域搜索方法再次建立了奇异性与排斥量之间的映射关系。最后,提出了具有普适性的并联机器人弹性运动规划方法,并通过系列仿真实验予以验证...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
描述空间机械手需要位置和姿态共6个自由度
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文机器人，其位形可以用关节的旋转角(θ1,θ2)来描述。需要注意的是，位形的描述方法不是唯一的，例如上述位形同样可以用机器人末端的笛卡尔坐标(x,y)来描述。位形空间是机器人所有位形的集合，位形空间中的每个点对应着机器人的唯一位形[7]。图1-1描述空间机械手需要位置和姿态共6个自由度如图1-1所示机械手的处于笛卡尔空间中，其可以分别沿x,y,z轴平移与旋转。因此，如果要描述其位形，至少需要六个独立的参数。最广泛使用描述工具是位姿矩阵T，其独立参数分别为沿三个坐标轴的位置坐标(px,py,pz)和旋转角(γ,β,α)。最基本的机器人运动规划问题，就是大型物体在狭窄空间中的搬运问题，又称钢琴移动问题[8]。如图所示，将矩形物体从黄色区域搬运到绿色区域。为防止碰撞，需要时刻调整物体的位置和姿态，如黑色虚线框所示。物体的搬运起点和搬运终点分别为该运动规划任务的起始和目标位形。图1-2钢琴移动问题如果机器人的某个位形既不会产生碰撞，又不超出关节运动的极限，就称其为自由位形qfree。自由位形所组成的空间称为自由位形空间Cfree。基于此，可以对机器人运动规划任务进行如下严格定义：对于给定的机器人初始状态x(0)=xstart和目标状态xgoal，寻找一组控制量u:[0,T]，使得x(T)=xgoal。且对所有t∈[0,T]，都有q(x(t))∈Cfree。然而值得指出的是，不同的机器人运动规划任务之间既有相同点，也存在一定差异。相同之处在于，运动规划研究的对象是抽象工作空间而非具体的机器人对象，如图1-3所示，无论是对于平面移动机器人、两自由度串联机械臂还是三自-3-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文a)移动机器人b)串联机器人c)并联机器人图1-3不同机器人运动规划任务的相同点与差异由度平面并联机器人（姿态角始终为0时），其运动规划的研究对象都可以抽象为下方图片所示的空间。然而，每一类机器人的运动规划所要考虑的具体问题又是不同的，例如平面机器人的不可达空间是外部障碍物，而串联机器人还必须考虑自身的关节限位，其关节空间的拓扑结构也和移动机器人有所不同。而对于右图的并联机器人来说，当规划对象是末端笛卡尔位置时，其需要考虑的问题有两个：如何规避关节行程限制引起的不可达位形，以及如何避免进入奇异和病态位形。实际上，对于大多数并联机器人，由于其工作空间相对较小，其运动规划对避障的需求都不大，需要考虑的是关节的行程边界和奇异点[9]。对于常见的串联机器人，其各关节间在运动学上是相互独立的，可以直接在关节空间中进行规划；而并联机器人的各关节的运动是耦合的，其关节坐标必须满足并联机器人的闭环运动学方程，而独立规划各关节所产生的结果很难满足该方程。在奇异性层面上，并联机器人只能在末端位形空间上计算奇异性。因此，对并联机器人的运动规划，多数时候只能像图1-3c)中一样，在末端工作空间中进行，而非在关节空间中。值得一提的是，并联机器人还存在一类特殊的规划问题，即并联机床的运动规划。在这类问题中，不仅要满足运动路径的无奇异性，还需要让末端具有沿路径的刚度和精度，以发挥并联机器人的优势。2000年，Merlet利用Stewart机器人的多余自由度来调整其沿路径的刚度[10]；2003年，Chen在他们的研究中对机器人的自由度进行了分级，以尽量满足主要自由度的精度[11]。1.2.2并联机器人运动规划方法的研究现状最早的运动规划算法研究开始于1950年代，到目前
【参考文献】：
期刊论文
[1]6-SPU并联机器人的轨迹规划与仿真[J]. 刘文彩,许勇,陈佳丽,梁诤. 机械传动. 2019(06)
[2]改进A星算法移动机器人路径规划[J]. 宋宇,王志明. 长春工业大学学报. 2019(02)
[3]旋转矩阵表达方式对大旋转角三维基准转换的影响[J]. 符宏伟,陈义,黄高峰. 测绘与空间地理信息. 2018(10)
[4]Stewart并联机器人控制算法研究[J]. 文刚,高宏力,彭志文,梁超. 机械设计与制造. 2018(08)
[5]平面Cosserat弹性体广义等参元[J]. 卢恩赦,陈明祥. 武汉大学学报(工学版). 2018(07)
[6]基于多约束条件的改进遗传算法路径规划[J]. 贺盼博,邬春学. 软件导刊. 2018(07)
[7]改进的快速扩展随机树路径规划算法[J]. 孙丰财,张亚楠,史旭华. 传感器与微系统. 2017(09)
[8]基于微梁理论的线驱动仿生章鱼臂角度控制[J]. 吴秋轩,袁文婷,迟晓妮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[9]基于Cosserat理论的头发动态模拟[J]. 唐勇,高英慧,冯立颖,吕梦雅,李晓艳. 计算机应用研究. 2010(02)
博士论文
[1]飞行模拟器液压Stewart平台奇异位形分析及其解决方法研究[D]. 马建明.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]受拟态章鱼模仿能力启发的仿生机器人研究[D]. 徐东飞.杭州电子科技大学 2018
[2]基于四驱平台小车路径规划和路径跟踪研究[D]. 倪明.西安电子科技大学 2015
[3]一种五自由度混联机器人的运动学分析与仿真[D]. 王燕伟.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3453639
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
描述空间机械手需要位置和姿态共6个自由度
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文机器人，其位形可以用关节的旋转角(θ1,θ2)来描述。需要注意的是，位形的描述方法不是唯一的，例如上述位形同样可以用机器人末端的笛卡尔坐标(x,y)来描述。位形空间是机器人所有位形的集合，位形空间中的每个点对应着机器人的唯一位形[7]。图1-1描述空间机械手需要位置和姿态共6个自由度如图1-1所示机械手的处于笛卡尔空间中，其可以分别沿x,y,z轴平移与旋转。因此，如果要描述其位形，至少需要六个独立的参数。最广泛使用描述工具是位姿矩阵T，其独立参数分别为沿三个坐标轴的位置坐标(px,py,pz)和旋转角(γ,β,α)。最基本的机器人运动规划问题，就是大型物体在狭窄空间中的搬运问题，又称钢琴移动问题[8]。如图所示，将矩形物体从黄色区域搬运到绿色区域。为防止碰撞，需要时刻调整物体的位置和姿态，如黑色虚线框所示。物体的搬运起点和搬运终点分别为该运动规划任务的起始和目标位形。图1-2钢琴移动问题如果机器人的某个位形既不会产生碰撞，又不超出关节运动的极限，就称其为自由位形qfree。自由位形所组成的空间称为自由位形空间Cfree。基于此，可以对机器人运动规划任务进行如下严格定义：对于给定的机器人初始状态x(0)=xstart和目标状态xgoal，寻找一组控制量u:[0,T]，使得x(T)=xgoal。且对所有t∈[0,T]，都有q(x(t))∈Cfree。然而值得指出的是，不同的机器人运动规划任务之间既有相同点，也存在一定差异。相同之处在于，运动规划研究的对象是抽象工作空间而非具体的机器人对象，如图1-3所示，无论是对于平面移动机器人、两自由度串联机械臂还是三自-3-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文a)移动机器人b)串联机器人c)并联机器人图1-3不同机器人运动规划任务的相同点与差异由度平面并联机器人（姿态角始终为0时），其运动规划的研究对象都可以抽象为下方图片所示的空间。然而，每一类机器人的运动规划所要考虑的具体问题又是不同的，例如平面机器人的不可达空间是外部障碍物，而串联机器人还必须考虑自身的关节限位，其关节空间的拓扑结构也和移动机器人有所不同。而对于右图的并联机器人来说，当规划对象是末端笛卡尔位置时，其需要考虑的问题有两个：如何规避关节行程限制引起的不可达位形，以及如何避免进入奇异和病态位形。实际上，对于大多数并联机器人，由于其工作空间相对较小，其运动规划对避障的需求都不大，需要考虑的是关节的行程边界和奇异点[9]。对于常见的串联机器人，其各关节间在运动学上是相互独立的，可以直接在关节空间中进行规划；而并联机器人的各关节的运动是耦合的，其关节坐标必须满足并联机器人的闭环运动学方程，而独立规划各关节所产生的结果很难满足该方程。在奇异性层面上，并联机器人只能在末端位形空间上计算奇异性。因此，对并联机器人的运动规划，多数时候只能像图1-3c)中一样，在末端工作空间中进行，而非在关节空间中。值得一提的是，并联机器人还存在一类特殊的规划问题，即并联机床的运动规划。在这类问题中，不仅要满足运动路径的无奇异性，还需要让末端具有沿路径的刚度和精度，以发挥并联机器人的优势。2000年，Merlet利用Stewart机器人的多余自由度来调整其沿路径的刚度[10]；2003年，Chen在他们的研究中对机器人的自由度进行了分级，以尽量满足主要自由度的精度[11]。1.2.2并联机器人运动规划方法的研究现状最早的运动规划算法研究开始于1950年代，到目前
【参考文献】：
期刊论文
[1]6-SPU并联机器人的轨迹规划与仿真[J]. 刘文彩,许勇,陈佳丽,梁诤. 机械传动. 2019(06)
[2]改进A星算法移动机器人路径规划[J]. 宋宇,王志明. 长春工业大学学报. 2019(02)
[3]旋转矩阵表达方式对大旋转角三维基准转换的影响[J]. 符宏伟,陈义,黄高峰. 测绘与空间地理信息. 2018(10)
[4]Stewart并联机器人控制算法研究[J]. 文刚,高宏力,彭志文,梁超. 机械设计与制造. 2018(08)
[5]平面Cosserat弹性体广义等参元[J]. 卢恩赦,陈明祥. 武汉大学学报(工学版). 2018(07)
[6]基于多约束条件的改进遗传算法路径规划[J]. 贺盼博,邬春学. 软件导刊. 2018(07)
[7]改进的快速扩展随机树路径规划算法[J]. 孙丰财,张亚楠,史旭华. 传感器与微系统. 2017(09)
[8]基于微梁理论的线驱动仿生章鱼臂角度控制[J]. 吴秋轩,袁文婷,迟晓妮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[9]基于Cosserat理论的头发动态模拟[J]. 唐勇,高英慧,冯立颖,吕梦雅,李晓艳. 计算机应用研究. 2010(02)
博士论文
[1]飞行模拟器液压Stewart平台奇异位形分析及其解决方法研究[D]. 马建明.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]受拟态章鱼模仿能力启发的仿生机器人研究[D]. 徐东飞.杭州电子科技大学 2018
[2]基于四驱平台小车路径规划和路径跟踪研究[D]. 倪明.西安电子科技大学 2015
[3]一种五自由度混联机器人的运动学分析与仿真[D]. 王燕伟.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3453639
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