面向多机器人协调的运动规划方法研究

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目前工业生产流程正变得越来越复杂,独立工作的机器人的相关性能特点已逐渐不能满足实际生产的要求,因此对多机器人技术的研究日益重要,符合当前社会发展的需求。多机器人技术存在许多值得研究的难点问题,例如如何实现多机器人的相互协调运动来完成所给定的生产任务;给定机器人的运动轨迹,如何对轨迹进行规划使机器人能高效的完成给定的生产任务等问题。因此本文以多机器人协调运动所涉及的相关技术为研究对象,分析运动约束关系,设计时间最优轨迹规划算法,使得多机器人高效协调运动。具体研究内容如下:首先,建立单机器人数学模型。机器人几何模型的建立选择使用改进的D-H法,推导表示机器人的各个相邻坐标系之间的位姿关系的齐次变换矩阵;在机器人逆运动学建模中采用几何法求解前三个关节角,采用欧拉变换法求解后三个关节角,按照最短行程原则筛选确定最终的关节角值;运用Newton-Euler递推方程,建立机器人动力学模型;编写仿真程序,验证所建立模型的正确性。其次,研究多机器人协调运动规划相关技术。设计了间接计算标定多机器人基坐标系的算法,优化标定取点过程,求解所建立的公共目标坐标系与多机器人基坐标系间的位姿关系,进而得到多机器人基坐标系间的位姿关系;推导叠加型运动的多机器人显式的运动学约束关系,当给定一个机器人的运动轨迹时,根据约束方程,可生成与其协调运动的另一机器人的运动轨迹。再次,设计基于动力学模型的时间最优轨迹规划算法。给定笛卡尔空间下的机器人手部的运动路径,将路径离散化,计算每个离散点的笛卡尔空间坐标以及关于路径长度的微分;考虑动力学约束、关节速度约束、空间线速度约束以及姿态角速度约束,根据线性规划原理,递归计算每个离散点的速度上限值;递归计算离散点的最大加速度,进而计算得每个离散点的速度并且保持在各自的约束范围内;用速度算出离散点对应时间,然后按插补周期,输出每周期的路径位置、笛卡尔空间的位姿和关节参数。最后,搭建多软件联合仿真实验平台。在仿真平台上设计实验验证所设计的算法,例如多机器人基坐标系标定实验、多机器人运动协调运动实验以及多机器人的轨迹规划实验,分析实验结果,证明所设计的算法的正确性以及精确性,最终实现多机器人的快速且精确的协调运动目标。
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