障礙環(huán)境下非完整輪式移動(dòng)操作機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究.pdf

1、非完整輪式移動(dòng)操作機(jī)(WheeledMobileManipulator,WMM)是由非完整(nonholonomic)輪式移動(dòng)平臺(tái)以及操作臂構(gòu)成的機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是既有大范圍移動(dòng)能力，又有靈活操作能力，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，其研究具有重要理論和實(shí)際意義。
　　運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是非完整WMM系統(tǒng)研究領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一。非完整WMM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性隨之帶來(lái)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題研究上的復(fù)雜性。非完整WMM系統(tǒng)位形空間雖存在不可積非完整約

2、束卻具有完全可控性。移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩個(gè)子系統(tǒng)的組合使非完整WMM系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)冗余性，要求運(yùn)動(dòng)協(xié)同性。障礙環(huán)境下要求非完整WMM運(yùn)動(dòng)具有安全避障性。
　　本文在黑龍江省基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：20010701018)支持下，在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)非完整WMM系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　基于D-H坐標(biāo)系以及Lagrange法，分別建立了非完整WMM系統(tǒng)以及非完整移動(dòng)平臺(tái)和操作臂兩個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和

3、動(dòng)力學(xué)模型；分析了非完整WMM系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)特性，在此基礎(chǔ)上根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了非完整WMM系統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制律。
　　非完整WMM系統(tǒng)受限障礙空間無(wú)碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題研究具有重要實(shí)際意義，但相關(guān)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)該問(wèn)題本文提出了受限空間無(wú)碰路徑多點(diǎn)隨機(jī)規(guī)劃方法(MPPM)。通過(guò)非完整移動(dòng)平臺(tái)路徑規(guī)劃得到滿足非完整約束的平臺(tái)無(wú)碰路徑，以平臺(tái)路徑為非完整WMM系統(tǒng)位形約束條件，通過(guò)離散化策略對(duì)該系統(tǒng)的位形子空間隨機(jī)

4、采樣，用離散構(gòu)造策略構(gòu)造k分連通圖滿足運(yùn)動(dòng)協(xié)同性，通過(guò)圖的搜索進(jìn)行無(wú)碰路徑查詢。實(shí)現(xiàn)了高自由度非完整WMM系統(tǒng)受限空間內(nèi)無(wú)碰協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
　　利用梯度投影法(GradientProjectionMethod,GPM)對(duì)非完整WMM系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，將隨機(jī)規(guī)劃與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法相結(jié)合，提出了基于GPM的無(wú)碰軌跡規(guī)劃方法。無(wú)碰軌跡規(guī)劃分為初規(guī)劃和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解兩個(gè)子過(guò)程；利用隨機(jī)規(guī)劃進(jìn)行路徑初規(guī)劃，根據(jù)初規(guī)劃結(jié)果求得非完整WMM系統(tǒng)引導(dǎo)位

5、形序列，由引導(dǎo)位形序列構(gòu)造目標(biāo)切換函數(shù)以及非完整WMM終端軌跡，利用零空間梯度投影算法得到最終無(wú)碰軌跡。
　　針對(duì)給定終端(EndEffector,EE)路徑約束條件下運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，提出了基于粒子群(PSO)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。將終端路徑離散化，選擇非完整移動(dòng)平臺(tái)控制輸入矢量作為粒子，使得非完整約束條件自然被滿足；在每個(gè)離散點(diǎn)利用非完整WMM系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到該系統(tǒng)整體位形；通過(guò)粒子群位形優(yōu)化技術(shù)得到滿足終端約束條件路徑。對(duì)障礙