三肢體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制研究.pdf

1、人類研究制作機(jī)器人的目的是使其能夠取代或者協(xié)助人類自身完成各項(xiàng)工作，例如一些乏味的制造類工作或是一些危險(xiǎn)性工作。機(jī)器人通過模擬人類或生物的某種功能而具備完成任務(wù)的能力。通常情況下，操作和移動(dòng)是機(jī)器人所應(yīng)具有的最基本功能。操作功能由機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)功能由腿機(jī)構(gòu)、車輪或履帶機(jī)構(gòu)完成。此種設(shè)計(jì)方法使得機(jī)器人需要更多的機(jī)構(gòu)自由度及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)元件，這將導(dǎo)致機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜及其本體重量的增加，降低了機(jī)器人的負(fù)載能力及移動(dòng)的靈活性。本文

2、提及的三肢體機(jī)器人采用將移動(dòng)機(jī)構(gòu)與操作機(jī)構(gòu)融為一體的設(shè)計(jì)方法，有效地解決了由于機(jī)構(gòu)獨(dú)立設(shè)計(jì)帶來的機(jī)器人本體體積及重量增大、負(fù)載能力降低以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用具有十分重要的意義。相應(yīng)地，此種新穎的肢體機(jī)器人設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制層面上也帶來了新的問題及挑戰(zhàn)。
　　為了方便操作者對(duì)三肢體機(jī)器人進(jìn)行控制和規(guī)劃，本文提出了集成交互環(huán)境系統(tǒng)（Integrative Interaction Environment，II

3、E），它是集三肢體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、柔順控制、動(dòng)力學(xué)仿真、人機(jī)通訊和虛擬環(huán)境于一體的人機(jī)圖形交互系統(tǒng)。IIE系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一個(gè)軟件模塊都能夠方便地更新與替換?；诩山换キh(huán)境的系統(tǒng)框架，劃分為五個(gè)關(guān)鍵層面的子系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)規(guī)劃子系統(tǒng)、柔順控制子系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)、人機(jī)通訊子系統(tǒng)和虛擬環(huán)境子系統(tǒng)。采用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，并在JAVA/JAVA

4、3D開發(fā)平臺(tái)上給予實(shí)現(xiàn)。
　　三肢體機(jī)器人的每個(gè)肢體末端是永磁吸附機(jī)構(gòu)，行進(jìn)過程中通過與接觸表面吸附賦予機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的能力。吸附的可靠性是三肢體機(jī)器人行走與操作過程穩(wěn)定性的決定因素。為了獲得可靠的吸附，本文采用牛頓-歐拉方法建立了三肢體機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，基于該模型對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了全面地分析。建立了三肢體機(jī)器人的能量消耗模型，提出嵌套優(yōu)化遺傳算法對(duì)時(shí)間及能量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在與傳統(tǒng)遺傳算法計(jì)算耗時(shí)相同的情況下提高了優(yōu)化結(jié)

5、果的精度。
　　三肢體機(jī)器人采用新穎的三分支機(jī)構(gòu)，使其具有多種靈活的基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)，如蠕動(dòng)步態(tài)、翻轉(zhuǎn)步態(tài)、交叉步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)等，基本步態(tài)用以實(shí)現(xiàn)同一平面內(nèi)的行走。本文采用模糊推理方法，在基本步態(tài)基礎(chǔ)之上生成演化步態(tài)，用以實(shí)現(xiàn)兩交叉平面間的行走。隨后提出了基于向量場的三肢體機(jī)器人3D動(dòng)態(tài)空間導(dǎo)航策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在3D動(dòng)態(tài)空間中的無碰撞行走。
　　三肢體機(jī)器人是多關(guān)節(jié)冗余度機(jī)器人，由于冗余度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式中系數(shù)矩陣的秩大于

6、增廣矩陣的秩而無法對(duì)之求解。傳統(tǒng)的做法中一般是要在尋求路徑的某些過程中犧牲一些關(guān)節(jié)以求得唯一解。但是此類做法嚴(yán)重影響了多關(guān)節(jié)機(jī)器人的靈活性，違背了設(shè)計(jì)者的初衷。鑒于此，本文提出一種新的漸進(jìn)式遺傳算法，將笛卡爾空間坐標(biāo)位姿能夠自動(dòng)、有效地映射到關(guān)節(jié)空間，最大限度保留了多關(guān)節(jié)機(jī)器人的靈活性。同時(shí)提出變策略遺傳算法，解決漸進(jìn)式遺傳算法在動(dòng)態(tài)環(huán)境應(yīng)用中出現(xiàn)的振蕩和易陷入局部極小點(diǎn)的問題。
　　三肢體機(jī)器人在行走和操作時(shí)所接觸的環(huán)境剛度變化