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智能化是机器人科学研究主要发展方向之一。机器人的智能主要体现在未知障碍环境中自主工作,这是在空间探索以及危险环境作业机器人必须解决的理论与技术。当前应用的多关节机器人由于缺乏对周围环境的感知能力,不能在非结构化环境中自主工作,限制了机器人的应用范围。基于传感信息的实时运动规划成为机器人研究领域之一。 机器人要在未知环境中自主工作必须具有环境感知和实时决策能力,这对于手臂型多关节机器人尤其困难,世界上还没有很好的解决方法。本文在国家自然科学基金支持下进行了基于传感信息的机器人实时运动规划方法的研究,目标就是建立机器人避碰实验系统,研究基于敏感皮肤的多关节机器人工作过程中实时自主避障理论、技术和方法。在分析了机器人运动规划国内外研究现状的基础上,成功地研制出适应于多关节机器人的敏感皮肤系统,提出了机器人实时运动规划算法,实验表明该机器人系统在未知环境中可以自主工作,增加了机器人的应用范围。 本文研制了机器人运动规划的敏感皮肤系统,对其进行了性能分析与测试。分析了红外传感器特性,研究了红外传感器的测距机理,建立了红外传感器的数学模型。敏感皮肤由大面积的红外传感器阵列构成,覆盖在机器人表面,通过给与系统感知环境的能力,敏感皮肤使在非结构化以及时变的环境中自主操作成为可能。研制了可以让机器人上每个部位都发现可能的碰撞的硬件系统。传感器信息可以被算法用作控制机器人躲避障碍物,使其在未知环境自主工作。 建立了机器人运动规划仿真的虚拟传感器系统,用来研究应用在机器人上的真实传感器系统。首次提出了敏感皮肤的仿真算法,并针对不同类型传感器设置进行了仿真。该方法避免了对单个传感器分别进行仿真的过程,使虚拟传感器满足运动仿真的时间要求。该虚拟传感器系统可以为机器人运动规划仿真提供真实传感器的仿真信息,用于测试基于传感器的机器人运动规划算法,提高了系统设计与测试的效率。 针对多自由度的机器人操作提出了一种通用的基于传感信息的运动规划算法。避免了建立C-空间障碍的过程,位姿点的运动被限定在C-空间内的一些二维子空间内。基于平面栅格的路径搜索算法用来控制位姿点在选定二维子空间内绕过C-空间障碍。为避免建立C-空间障碍的表面,扩展了机器人几何模型,应用了静态碰撞检测方法。实时性较好,适合机器人在线路径规划要求,并有较好的适应性,为工业机器人路径规划提供了新途径。 针对非结构化环境下的多关节机器人实时避障问题,应用基于模糊逻辑方法,提出了一种未知环境下基于行为的机器人实时路径规划方法。该方法由红外线传感器提供机器人手臂周围障碍物的信息,规划方法包括接近目标和绕过障碍两个行为。机器人根据周围环境的信息选择合适的行为,从而有效地避免了陷入局部最小的状况,使机器人安全达到目标。由于应用了模糊控制,使方法具有较好的实时性,可以应用到存在未知障碍物的机器人实时运动规划中。 通过仿真与实验,验证了基于敏感皮肤的机器人运动规划方法。方法适用于未知环境下的实时避障任务,可满足机器人在非结构化环境中的作业要求。基于敏感皮肤的机器人运动规划研究可扩展机器人应用领域、提高机器人智能化水平,有着广阔的应用前景。