可重構機器人運動及其控制的研究.pdf

1、隨著人類文明不斷進步和科技水平的快速提高，傳統(tǒng)的結構固定形式的機器人越來越不能適應多變的生產(chǎn)生活節(jié)奏，越來越需要具有柔性的、可靠的、廉價的工具幫助人們解決不斷快速變化生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的問題?？芍貥嫏C器人能夠以一套模塊，實現(xiàn)多種機器人構形，以其廣泛的適應性、便捷性、可重構性的特點受到人們的青睞，滿足了人們對復雜多變的工作環(huán)境和工作任務對工具的要求。可重構機器人在敏捷制造、航空航天、核工業(yè)、軍事領域有很廣闊的發(fā)展前景，開展該方面的研究具有重要

2、的應用價值及社會意義。
　　模塊的劃分方法對可重構機器人模塊設計及組成工作構形的性能有很大影響?；诳芍貥嬆K的設計原則和綜合考慮模塊的工作特點后，提出三類的模塊的劃分方法，并對其組合特性進行了分析。按照可重構機器人模塊的模塊化特性，詳細的設計了模塊的機械結構和電氣結構，建立了基于CAN總線的通信系統(tǒng)，使可重構機器人系統(tǒng)具有很強的可擴展性。采用了基于對象化的模塊表達方式，進而建立了便于管理和方便調(diào)用的可重構模塊庫，形成了可重構機器

3、人的模塊平臺，為可重構機器人的理論研究建立仿真環(huán)境。
　　可重構機器人的運動學和動力學模型因為構形的多變性難以建立，運動學和動力學求解也沒有統(tǒng)一的求解方法，進而限制了可重構機器人的廣泛應用?；谀K化的思想，分別建立了模塊的運動學和動力學模型，根據(jù)機器人構形組成信息，即可快速建立機器人的運動學和動力學模型。在運動學求解方法上，提出將機器人在目標點的位形劃分為若干個構形平面，通過構形平面間的位置和姿態(tài)匹配，進而找到機器人構形的運動學

4、逆運動學求解方法。在動力學上采用牛頓—歐拉的迭代方法，向前迭代求解機器人關節(jié)的速度和加速度，向后迭代求解機器人關節(jié)的力和力矩。
　　構形的確定是可重構機器人能否滿足快速多變的生產(chǎn)生活需要、能否充分發(fā)揮其優(yōu)勢的關鍵。根據(jù)工業(yè)機器人的設計要求和工作特點，采用專家經(jīng)驗法設計可重構機器人構形，通過自下而上的確定基本關節(jié)類型，自上而下的調(diào)整關節(jié)的型號，實現(xiàn)滿足工作任務要求的工作構形。針對工作任務對可重構機器人構形的多目標要求，采用遺傳算法對

5、可重構機器人構形進尋找。通過遺傳編碼方式、適應度函數(shù)建立以及各個評價目標的權重系數(shù)確定，采用改進的遺傳操作，避免可重構機器人構形的遺傳操作的早熟和局部收斂，經(jīng)過專家修正，得到滿足工作要求的機器人構形。
　　可重構模塊在結構、控制、驅(qū)動等性能上具有獨立性，可將每個可重構機器人模塊看作智能體，使其通過自身的知識庫能夠根據(jù)外部信息和自身的狀態(tài)進行相應的運動和反應。在機器人的控制上，對不依賴于機器人整體控制模型的控制方法進行研究，提出了基

6、于智能體協(xié)作的分布式控制算法。對這種控制算法進行了收斂驗證，為了提高計算速度，提出了幾點改進。對可重構機器人構形進行容錯性能分析，為保證機器人順利可靠的工作提出了容錯控制方法。
　　最后，搭建了可重構機器人硬件實驗平臺，通過示教再現(xiàn)作業(yè)驗證模塊的基本運動功能；進行了兩自由度機器人構形的直線和圓弧軌跡的分布式控制實驗，并對實驗的誤差進行了分析；基于構形平面的運動學進行了裝配作業(yè)實驗；用五自由度機器人構形模擬機器人關節(jié)在作業(yè)中發(fā)生故障