基于改進蟻群算法的機器人雙臂無碰撞路徑規(guī)劃

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1、東北大學碩士學位論文第一章緒論1．1機器人雙臂路徑規(guī)劃的研究意義當前工業(yè)機器人的應用是為單臂機器人獨自工作的能力準備的，這樣的機器人只適應于特定的產(chǎn)品和工作環(huán)境，并且依賴于所提供的專用設備和工夾具。一般地，單臂機器人只適合于剛性工件的操作，并受制于環(huán)境。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學技術的進步，對于許多任務而言單臂操作是不夠的。因此，為了適應任務的復雜性、智能性的不斷提高而擴展為雙手協(xié)調(diào)控制，即由兩個單臂機器人相互協(xié)調(diào)、相互配合的去完成某種作業(yè)。但由于組成雙手協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的是兩個機器人，它們不可能是兩個單手機器人的簡單組合，除了它們各自共同目標的控制實現(xiàn)外，它們相互間的協(xié)調(diào)控

2、制以及對環(huán)境的適應性就成為組合的關鍵。由于每個機器人都有自己的控制器，各個機器人操作臂之間的協(xié)調(diào)是靠另外建立的更高一級的層級控制器進行協(xié)調(diào)規(guī)劃和控制，這樣雙手協(xié)調(diào)控制機器人系統(tǒng)的進一步應用就受到了限制。因而，雙臂機器人就應運而生了，雙臂機器人比雙手協(xié)調(diào)機器人更具有實用價值。雙臂機器人某種程度上可以比作兩個單臂機器人在一起工作的情況，當把其它機器人的影響看作是一個未知源的干擾的時候，其中的一個機器人就獨立于另一個機器人。但雙臂機器人作為一個完整的機器人系統(tǒng)，雙臂之間存在著依賴關系。它們分享使用傳感數(shù)據(jù)，雙臂之間通過一個共同的聯(lián)接形成物理耦合，最重要的是兩臂的控制器之間相互

3、通信，手臂可以根據(jù)對方的動作而動作、軌跡規(guī)劃和控制決策，也就是雙臂之間具有協(xié)調(diào)關系。這在某種程度上可以與我們?nèi)梭w雙臂的協(xié)調(diào)動作一樣。在一個軀體中的二個單臂相應于兩個高水平的控制器，把所有動作的協(xié)調(diào)作為一個基準，那么，我們自己雙臂的動作過程就包含著復雜的機械系統(tǒng)、軀體反饋、視覺反饋、膚體接觸、滑移檢測以及腦力等在內(nèi)的數(shù)據(jù)源，并且用預先獲取的數(shù)據(jù)來確認這一資料數(shù)據(jù)的儲存與處理能力。這正是雙臂機器人區(qū)別于兩個單臂機器人組合的關鍵。雙臂機器人的作用特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面【M]：一是在末端執(zhí)行器與機械臂之間無相對運動的情況下工作，如雙臂搬運鋼棒這樣的剛性物體，比兩個單臂機器人

4、的相應動作的控制要簡單的多。二是在末端執(zhí)行器與機械臂之間有相對運動的情況下通過兩臂間的較好配合能對柔性物體如薄板等進行控制操作，而兩個單臂機器人要做到這一點是比較困難的。三是雙臂機器人的兩機械臂能夠各自獨立工作用來對多目標的操作與控制，如將螺帽放到螺釘上的配合操作。東北大學碩士學位論文第一章緒論雖然雙臂機器人是在單臂機器人的基礎上發(fā)展起來的，但由于雙臂機器人作用的特殊性，不能簡單地把對單臂機器人有關的研究結(jié)果搬到雙臂機器人上。因此，雙臂機器人的研究成為機器人研究領域中的一個十分重要內(nèi)容，它的研究對機器人技術的發(fā)展和應用有理論和現(xiàn)實意義。1．2雙臂機器人路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀目

5、前國內(nèi)外對雙臂機器人的研究主要在雙臂的運動軌跡規(guī)劃(包括碰撞避免)、雙臂協(xié)調(diào)控制算法及操作力或力矩的控制等幾方面。其中運動規(guī)劃是解決多機器人在同一環(huán)境下的工作。這方面的研究工作通常分路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩部分進行。部分學者對沿著特定路徑運動的機器人的雙臂控制問題進行了比較深入的研究。他們利用機器人的動力學方程建立了基于機器人動力特性的最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法，并通過運用計算機仿真手段來找到每步運動的最佳路線，達到解決碰撞避免問題。概括地講這些研究較好地解決了二維的運動軌跡規(guī)劃問題，但對三維空間和具有冗余度的雙臂運動軌跡規(guī)劃方法和策略研究甚少134】。上海交通大學機器人研究所對雙臂

6、機器人時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題作了深入研究，成功地運用動態(tài)規(guī)劃法對沿著特定路徑運動的雙臂機器人左、右臂進行了時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃，從而保證機器人左、右臂在無碰撞的前提下，實現(xiàn)時間最優(yōu)運動。哈爾濱工業(yè)大學的研究人員以雙臂自由飛行空間機器人為背景的自主規(guī)劃運動控制研究，通過建立雙臂自由飛行空間機器人的運動學和動力學模型，得到微重力環(huán)境下該雙臂機器人的廣義雅可比矩陣來描述機械手末端速度和各關節(jié)角速度之間的關系，然后建立該雙臂機器人在浮游狀態(tài)下捕捉目標的任務規(guī)劃算法及路徑規(guī)劃算法，并通過仿真系統(tǒng)驗證其理論的正確性和算法的可行性。1．3雙臂機器人無碰撞路徑規(guī)劃概述避障路徑規(guī)劃問題是機器人

7、手臂運動規(guī)劃研究的一個重要方面，它是指給定操作環(huán)境，以及起始和目標的位置姿態(tài)，要求選擇一條從起始點到目標點的路徑，使機械臂達到目標位置，且在運動過程中機械臂之間、機械臂與環(huán)境之間均不發(fā)生碰撞。從空間描述方式來看，一般有兩類：基于位姿空I'司(ConfigurationSpace，或稱C空間)的避障路徑規(guī)劃、基于工作空f司(WorkSpace或稱W空間)的人工勢場法。前者一般稱為全局方法，后者一般稱為局部方法。在避碰研究之初，主要采用了基于工作空間的假設和檢驗方法。它是由Pieper[5】于1968年提出的，也是最早的機器人避碰方法。此法有