冗余度机器人的运动控制与优化

摘要

冗余度机器人是20世纪80年代末出现，在90年代得到发展的一种先进机器人系统，它由空间技术和先进制造的需要而产生。人们利用其特有的冗余特性，可以克服一般机器人灵活性差、避障能力低、关节超限以及动力学性能差等缺点。更重要的是，利用冗余特性可以对机器人的运动进行优化,针对不同的机器人，可以提出合适的优化目标，而针对此优化目标，可以通过冗余关节调整机器人的运动，从而达到优化机器人运动的目的。
　　冗余度机器人的冗余特性使得它运用十分广泛。本课题以医工交叉为研究背景，在国家自然科学基金（30801302）和机械系统与振动国家重点实验室自主课题基金（MSV-MS-2010-02）的资助下，成功地将冗余特性应用在了手术辅助机器人上，并取得良好的实验效果。此手术辅助机器人的主要作用是在骨科手术中辅助医生完成精细的操作，主要有截骨切削、磨削钻孔、夹持固定等功能。
　　下面就本文所的主要内容予以说明：
　　1.采用D-H法建立了机器人的D-H坐标，并在此基础上计算了机器人的运动学正解，并采用位姿分离的方法求出了7自由度手术辅助机器人的运动学逆解。
　　2.介绍了空间直线与圆弧的插补算法，并对插补而产生的误差进行了分析。
　　3.研究了冗余度机器人运动控制的优化算法。根据本手术辅助机器人的特点，提出了两种优化算法。一是通过调整冗余关节的位移来降低机器人的最大关节位移，以减小机器人的插补时间和动作幅度，提高机器人的作业效率。二是通过调整冗余关节的位移使得各个关节的位移尽量在关节极限中心附近变化，以防关节运动超限。
　　4.介绍了机器人运动控制实现的具体问题。
　　本文针对冗余度机器人的冗余特性，提出了冗余度机器人的运动优化控制算法，并将此研究成果成功地运用在了手术辅助机器人上，取得了比较好的实验效果，为后来人研究冗余度机器人提供一些思路和方法。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 冗余度机器人的研究背景与意义

1.3 冗余度机器人的国内外研究现状

1.4 本文的主要内容

第二章 冗余度机器人的运动学求解

2.1 引言

2.2 机器人运动学基本原理

2.3 冗余度机器人的运动学正解

2.4 冗余度机器人的运动学逆解

第三章 冗余度机器人的运动控制算法

3.1 引言

3.2 空间直线插补算法

3.3 空间圆弧插补算法

第四章 冗余度机器人逆解的优化

4.1 引言

4.2 绝对值直线寻优算法

4.3 冗余角差分算法

4.4 运动规划中的关节极限控制

第五章 冗余度机器人的运动控制实现

5.1 坐标系的建立以及确定关系

5.2 PT控制模式

5.3 插补算法的具体实现

第六章 冗余度机器人的实验

6.1 实验一：冗余角差分算法优化反解实验

6.2 实验二：直线插补实验

第七章 总结

7.1 主要工作总结

7.2 问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文