面向救援任务的双臂机器人协作运动规划与控制方法研究

摘要

日本的福岛核事故，天津的危险品爆炸等重大的灾难性事故发生后，研发出一种能够在危险环境下救灾救援机器人，成为机器人研究领域的热点和难点，也是重大基础性的课题，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。针对这些特殊应用，美国国防部高级计划局（DARPA）举办了世界性级先进机器人技术挑战赛(DRC)，希望通过比赛，研制出能够使用救援工具执行救灾任务的机器人系统，并且能够得到实际应用。双臂机器人是最有可能完成这些动作和任务的机器人系统。
　　为解决传统6自由度手臂的双臂机器人存在无法避免空间奇异点、避障等弱点，模拟人双臂强大的作业能力和运动灵活性，本论文自主研发了一款具有冗余自由度的双臂协作机器人样机，冗余自由度使得在双臂执行器末端位姿不变的前提下机器人具备避奇异、避障、避关节极限、优化关节力矩等能力，同时，也增强了双臂机器人操作能力、负载能力和运动灵活性。在该样机平台上，论文主要解决了冗余自由度双臂运动逆解算法、面向任务层面上的双臂运动和力规划以及双臂协调控制四个关键技术问题，主要研究内容和创新点如下:
　　1)提出了具有冗余自由度的双臂机器人运动学建模和算法研究。采用D-H方法建立了双臂机器人运动学模型，在综合考虑冗余特性的基础上，如避奇异，避关节极限等，提出了一种新的七自由度冗余机械臂运动学封闭逆解算法，解决了数值算法中难以确定初始值以及存在累积误差等问题。通过仿真和实验验证了运动学建模和逆解算法的快速有效性。
　　2)提出了一种普适性的对称式双臂协调操作运动规划方法研究。根据双臂间的运动和力约束关系，提出了将一个完整的双臂协调操作过程划分为双臂独立、部分约束和全约束协调操作三种模式。其次，针对以上三种协调操作模式，给出了双臂之间、双臂与被操作物体之间的相对位姿约束关系模型，并提出了一种普适性的基于位置层面上的对称式双臂运动规划方法。该规划方法的优势在于，主从臂具体同等地位，可依据被操作物体的运动轨迹进行同时规划，可以有效的避免主从式运动规划中从臂获取信息延迟的想象。此外，该双臂运动规划方法也为冗余自由度双臂机器人的运动控制和力学计算提供了理论分析模型。
　　3)开展了冗余自由度双臂机器人的联合动力学和内力动态优化分配方法研究。首先，针对三种双臂协调操作模式，分别对双臂、被操作物体动力学以及双臂与物体的联合动力学进行了建模，为双臂间的力规划提供了力学模型。其次，研究了双臂在关节空间、操作空间以及抓取空间之间的运动和力的映射关系。并针对双臂机器人系统组成的闭链多体系统的动力学耦合问题，采用能量最优法、最小范数法和加权伪逆法三种优化方法对双臂内力进行了动态分配，通过三种优化方法的对比分析得出加权伪逆法可以实现双臂挤压力为零的分配方法。最后，结合动力学模型和内力分配方法，针对双臂三种操作模式，提出了一种普适性的双臂作用力规划方法，为双臂协作力控制器的设计提供了力学模型。
　　4)开展了双臂协调控制和实验研究。首先，以双臂的相对位姿控制与作用力控制为控制对象，提出了两种基于模型的双臂协调控制方法，以顺应不同的操作环境和操作任务需求。一种是基于运动学模型的位置协调控制方法，用于跟踪双臂末端位姿、相对位姿的控制;另一种是基于动力学模型的协调力控制方法，以实现目标运动和力的同步控制。其次，搭建了双臂控制系统的软硬件平台，以及给出了通过多通道协调控制功能实现双臂运动中同步和异步程序的并发执行的实现方法。最后，针对DARPA机器人挑战赛任务，开展了双臂机器人开门、清除障碍物等实验研究，实验验证了双臂协调运动规划与控制方法的可行性。
　　全文采用理论推导、仿真分析和实验验证相结合的方法，对冗余自由度双臂的运动学、运动和力规划、协调控制等方面进行了系统、全面的研究和实验论证，为具有冗余自由度双臂机器人的研究开发提供了可以借鉴的理论，提高了冗余自由度双臂机器人应对自然灾害或人为灾害等复杂环境下的协调作业能力，也为在实际环境中的应用奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 救援双臂机器人研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 双臂协调操作关键技术研究现状

1．3．1 运动学和动力学研究现状

1．3．2 双臂协作运动规划方法研究现状

1．3．3 双臂协调操作控制方法研究现状

1．4 研究的关键问题

1．5 研究内容和章节安排

第2章 冗余自由度双臂机器人运动学研究

2．1 双臂机器人样机

2．2 冗余自由度双臂机器人运动学正解

2．3 冗余机械臂运动学逆解

2．3．1 封闭逆解推导

2．3．2 逆解算法

2．3．3 逆解算例与实验

2．4 本章小结

第3章 一种基于位置层面上的普适性运动规划方法研究

3．1 双臂协作模式规划

3．2 运动约束关系研究

3．2．1 独立操作模式

3．2．2 部分约束操作模式

3．2．3 全约束操作过程

3．3 普适性运动约束模型

3．4 对称式运动规划方法

3．4．1 避障规划策略

3．4．2 运动规划流程

3．4．3 运动规划算例

3．5 本章小结

第4章 联合动力学和内力动态规划方法研究

4．1 动力学研究

4．1．1 独立操作模式

4．1．2 部分约束操作模式

4．1．3 全约束操作模式

4．2 普适性力学模型及算法研究

4．3 运动与力映射关系

4．4 双臂内力动态优化分配

4．4．1 平衡抓取条件

4．4．2 内力动态分配

4．5 双臂协作力规划

4．5．1 力规划流程

4．5．2 力规划算例

4．6 本章小结

第5章 冗余自由度双臂机器人协作控制方法和实验研究

5．1 协调控制策略

5．2 双臂位置协调控制方法

5．3 双臂力协调控制方法

5．3．1 位置-速度控制器

5．3．2 位置-加速度控制器

5．3．3 算例仿真

5．4 控制系统平台实现

5．4．1 控制系统构架

5．4．2 视觉检测系统

5．5 独立抓取物体实验

5．6 开门实验

5．7 移除障碍物实验

5．8 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文