冗余双臂机器人在线运动规划与协调操作方法研究

发布时间：2017-12-18 17:33

  本文关键词：冗余双臂机器人在线运动规划与协调操作方法研究

  更多相关文章： 冗余机械臂 在线运动规划 双模态优化模型 力矩层约束 双臂协调 虚拟动力学模型 运动控制

【摘要】：传统的非冗余自由度工业机械臂在工业现场、家庭服务等场合已经有了广泛的应用,其控制系统结构和运动规划方法简单,但在实际的应用中,其灵活性有限,适合完成一些固定地、重复性地生产工作。为了拓展机械臂的应用领域,冗余机械臂以其优越的灵活性,强大的适应性被广大学者所研究。所谓冗余机械臂,即机械臂关节空间自由度大于任务空间所要表达的自由度。综合考虑计算效率以及实际应用的灵活性需求,7自由度冗余机械臂成为了该领域的主要研究对象。在研究拟人化操作的过程中,以7自由度冗余机械臂构成的双臂机器人也成为当前关于多机械臂协调控制研究领域的热点。由于冗余自由度机械臂运动控制固有的复杂性,冗余机械臂的单臂运动控制以及双臂协调控制研究水平一定程度上标志了一个国家的机械臂控制领域的学术地位。冗余机械臂相对于传统的工业机械臂具有更广阔的应用前景,如避障、容错、能量优化等,它是下一代工业机械臂研究的重要方向。本文以冗余自由度机械臂为研究对象,以单臂在线运动规划方法和双臂协调控制策略为研究内容,针对在线运动规划方法存在的约束模型不够完善、优化目标单一、求解速度容易受限等问题以及双臂协调操作控制过程中力控制对模型的依赖问题开展相关研究。首先,重点介绍了冗余自由度单臂机器人运动规划方法的研究现状,分析了传统的基于伪逆方法实现运动规划时存在的不足,描述了在线运动规划的优点以及当前在线运动规划方法中有待解决的问题。在现有的在线运动规划方法的基础上,设计了一个基于力矩层约束的双模态在线运动规划模型。该模型有三个特点：其一,将在线运动规划约束模型从当前的运动学层拓展至动力学层,其二,采用双模态优化目标解决机械臂在运动空间受限时的目标优化问题,并结合传统的最小二乘法,提出了一种改进型的双模态在线优化目标,解决机械臂经过奇异点的在线运动规划问题。其三,将上述基于力矩层约束的双模态在线运动规划模型转化成一个非线性二次规划问题,结合内点法的求解思想,综合求解速度和求解精度,提出了一种适合工程应用的在线二次规划问题的求解方法。其次,重点介绍了当前双臂协调控制基本方法和基本理论以及双臂协调操作过程中力控制约束模型,分析了传统的基于阻抗控制方法由于对精确模型的依赖而造成的不足,建立了一种基于虚拟动力学模型的双臂协调控制策略。该策略有以下优点：其一,笛卡尔空间的运动规划直接应用于机械臂关节空间的力控制,不需要进行复杂的逆运动学计算,同时可以避免姿态奇异问题的出现。其二,利用虚拟动力学模型进行控制的过程中,不需要考虑传统的动力学模型中的非线性项,如重力,摩擦等。它是利用力传感器实现在线反馈控制,减少协调控制对系统模型的依赖。第三,对当前国内外的机械臂控制系统软硬件设计进行调研,描述了当前国内外关于机械臂控制系统软硬件架构设计的基本方式,以及其存在的优缺点。在此基础之上,对项目自主研发的冗余自由度工业机械臂的软硬件系统进行设计。采用Can总线星型网络拓扑来连接机械臂的每个关节节点,搭建了Linux+RTAI实时运动控制系统,构建了一套完整的双臂机器人运动控制实验平台。最后,通过对比的仿真结果对上述提到的算法进行验证,并在自主研发的双臂机器人实验平台上开展相关实验,包括机械臂标定、手眼协调、冗余机械臂在线运动规划以及双臂协调操作等,对详细的实验过程以及实际实验取得的结果进行分析和讨论,对实验过程中出现的问题以及取得的成果进行总结,对当前研究提出的方法所具有的优点以及缺点做进一步的阐述。综上,本文对冗余机械臂控制以及双臂协调控制提出了一整套的方法,并从仿真、实验等角度验证这些方法的有效性,为当前的冗余机械臂运动控制以及双臂协调操作控制的基本方法研究提供了一个新的参考,并为当前冗余机械臂运动控制的工程化实现提供了新的思路。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：1305052