多機器人系統(tǒng)避障與最優(yōu)協(xié)調(diào).pdf

1、與單機器人構(gòu)成的系統(tǒng)相比,多機器人系統(tǒng)通過機器人與機器人之間的合作與協(xié)調(diào)使系統(tǒng)工作性能提升、工作效率加快、柔性增強、魯棒性更好。因此,多機器人系統(tǒng)應(yīng)運而生,成為目前機器人學(xué)領(lǐng)域的研究熱點、難點。一方面,機器人與機器人之間的合作與協(xié)調(diào)使多機器人系統(tǒng)性能非線性大幅提升,另一方面也使系統(tǒng)復(fù)雜性顯著提高。多機器人系統(tǒng)研究涉及的問題涵蓋路徑/軌跡規(guī)劃,碰撞檢測,避障策略,協(xié)調(diào)策略等方方面面。但貫穿其始終的一個問題是沖突避免與沖突解決。其中,最為基

2、本也最為重要的一種沖突是機器人與機器人之間、機器人與已知環(huán)境的碰撞沖突。多機器人系統(tǒng)的碰撞避免是保證其安全、有效工作的前提和基礎(chǔ)。
　　對于共享工作空間的多機器人系統(tǒng),一方面可通過人工勢場、概率地圖等協(xié)同路徑搜索方法尋求多機器人的無碰撞路徑。另一方面可采用集中式或解耦式的協(xié)調(diào)控制方式規(guī)避多機器人系統(tǒng)可能存在的碰撞。由于工業(yè)機器人自由度多、運動方式復(fù)雜、機構(gòu)眾多,目前對多工業(yè)機器人系統(tǒng)的協(xié)同路徑搜索等避障策略和協(xié)調(diào)控制方法研究還不夠

3、完備,一般限于對雙臂機器人或雙機器人系統(tǒng)進行研究,因此研究適用于多工業(yè)機器人系統(tǒng)的避障和協(xié)調(diào)控制算法具有現(xiàn)實意義和工程價值。
　　圍繞多機器人系統(tǒng)的避障與最優(yōu)協(xié)調(diào),本文從碰撞檢測算法、避障與協(xié)調(diào)策略兩個大的層面展開研究,主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)綜述基于分離距離的碰撞檢測算法。首先分析機器人、數(shù)控裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多體碰撞檢測算法檢測流程。按是否返回物體間的最小距離,將碰撞檢測算法分為基于分離距離的碰撞檢測算法(接近查

4、詢)和非基于分離距離的碰撞檢測算法。其次,就精確檢測階段分離距離計算所應(yīng)用的基本原理對基于分離距離的碰撞檢測算法從包圍體層次樹、代數(shù)幾何、幾何特征、單純形法、數(shù)學(xué)規(guī)劃、距離場等區(qū)分角度進行分析與討論。再次,歸納與總結(jié)碰撞檢測對象正朝著多表現(xiàn)形式、非凸、有形變、多物體發(fā)展,碰撞檢測算法正朝著動態(tài)檢測、連續(xù)檢測、并行化發(fā)展。最后,指出碰撞檢測算法亟待解決的一些問題。
　　(2)提出基于二階錐規(guī)劃的超二次曲面間分離距離計算算法。該算法以

5、復(fù)雜物體的描述基元超二次曲面為研究對象,將超二次曲面之間的分離距離計算問題寫成帶分數(shù)指數(shù)約束的非線性規(guī)劃問題。借助一種將分數(shù)指數(shù)約束轉(zhuǎn)化為一組(旋轉(zhuǎn))二階錐與一組線性約束交集的算法將NLP轉(zhuǎn)化為SOCP。最后采用一種新的原始-對偶預(yù)估-校正內(nèi)點算法求解該SOCP,實現(xiàn)超二次曲面之間的精確接近查詢。該算法特別適用于靜態(tài)碰撞檢測精確檢測階段的接近查詢,實現(xiàn)直線平移超二次曲面的連續(xù)碰撞檢測。
　　(3)采用延時啟動的時空置換策略,實現(xiàn)多

6、機器人系統(tǒng)的避障與最優(yōu)協(xié)調(diào)。以車間現(xiàn)場環(huán)境下給定軌跡的多工業(yè)機器人系統(tǒng)(不限于二臺)為研究對象。通過定義規(guī)范化路徑和規(guī)范化軌跡,將機器人連桿與連桿之間的空間碰撞信息反映射為時間碰撞信息。采用延時啟動的時空置換策略,推導(dǎo)多工業(yè)機器人系統(tǒng)無碰撞的充分條件和最優(yōu)協(xié)調(diào)的必要條件,并分別建立兩種條件下的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。最后通過雙工業(yè)機器人系統(tǒng)下的六組仿真實驗和三工業(yè)機器人系統(tǒng)下的一組仿真實驗驗證提出算法正確性。
　　(4)開發(fā)多機器人