基于广义位姿距离的空间机器人运动规划方法的研究

论文摘要

在机器人领域,运动规划一直占有举足轻重的地位。无论是应用于工业生产过程的工业机器人,还是应用于空间探测的空间机器人,以及越来越受到研究者们重视的智能机器人,运动学和运动规划都是必不可少的组成部分。本文提出了一种基于广义位姿距离的运动规划算法。算法应用了机器人正向运动学,并将机器人的运动划分为许多小周期,以缩短末端执行器和目标位姿之间的广义距离作为启发信息来确定每个周期各关节的位移值。为了确定关节每个周期的运动范围,该算法应用Paul的轨迹插补算法,并对其改进,使其经过路径点,并深入分析了以改进的Paul规划作为轨迹插补算法时上层运动规划和底层运动规划之间的关系。同时,定义了广义位姿距离,并且推导了广义位姿距离的变化同机器人各关节微位移之间的关系。为说明算法的通用性,本文以一种带柔性关节的机器人的运动规划问题为例,验证了算法有效性。为了解决空间机器人基座固定时的容错运动规划问题,本文讨论了算法在欠自由度、冗余自由度和满自由度机器人的点到点运动规划中的应用,并讨论了当末端执行器具有较大的容差范围时的运动规划问题。同时讨论了算法在笛卡尔空间连续路径的运动规划中应用,重点分析了直线轨迹和一个有奇异点的圆轨迹的运动规划,以说明算法在具有奇异点的笛卡尔空间连续路径规划中的应用。为了解决浮动基座空间机器人的容错运动规划问题,推导了浮动基座空间机器人的广义雅可比矩阵,讨论了算法在浮动基座空间机器人运动规划中的应用,并且详细分析了算法在欠自由度空间机器人抓捕低速运动目标的运动规划中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人运动规划综述
• 1.2.1 地面机器人逆运动学研究现状
• 1.2.2 空间机器人运动规划研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 基于广义位姿距离的运动规划算法
• 2.1 引言
• 2.2 算法的整体介绍
• 2.3 关节控制器内的轨迹插补算法
• 2.3.1 Paul 的四次多项式路径插补算法
• 2.3.2 过路径点的Paul 的四次多项式路径插补算法
• 2.3.3 轨迹插补算法与上层运动规划之间的关系
• 2.4 两位姿距离的度量方法
• 2.4.1 姿态距离度量的对应轴夹角余弦方法
• 2.4.2 位姿之间的广义距离
• 2.4.3 广义位姿距离的变化与各关节微位移之间的关系
• 2.5 算法的流程图及其在柔性关节机器人中的应用
• 2.5.1 算法的流程图
• 2.5.2 法在具有柔性关节的机器人运动规划中的应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于固定基座的容错运动规划的研究
• 3.1 引言
• 3.2 本文所研究的机器人系统及平面3DOF 运动规划
• 3.2.1 本文所研究的空间机器人系统
• 3.2.2 平面3DOF 运动规划
• 3.2.3 算法用于运动规划以抓取目标时的进一步讨论
• 3.3 基于末端手爪容差的容错运动规划
• 3.3.1 基于手爪容差的容错运动规划
• 3.3.2 进一步的讨论
• 3.4 基于可移动基座的容错运动规划
• 3.4.1 算法在冗余自由度机器人中的应用
• 3.4.2 进一步的讨论
• 3.5 算法在笛卡尔空间轨迹规划的应用
• 3.5.1 算法在笛卡尔空间直线轨迹规划中的应用
• 3.5.2 具有奇异点的笛卡尔空间圆的轨迹规划
• 3.6 姿态距离用欧拉角表示的正向运动规划算法
• 3.6.1 用欧拉角表示的广义姿态距离
• 3.6.2 用欧拉角表示广义姿态距离时的运动规划存在的问题
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于浮动基座的容错运动规划的研究
• 4.1 引言
• 4.2 广义雅可比矩阵公式的推导
• 4.3 算法在浮动基座的空间机器人的应用
• 4.4 算法在捕获运动目标物时的应用
• 4.4.1 算法在捕获运动物体时的一个具体应用
• 4.4.2 进一步的讨论
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢