应用于EAST托卡马克的EAMA铰链式机械臂的运动学算法研究

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EAMA机械臂为多关节冗余自由度机器人,存在关节强耦合等特性,其操作环境为复杂的环形真空室。维护机械臂的具体操作任务是利用末端相机对真空室内部部件进行检测,并且利用末端手爪对损坏部件进行抓取或更换。针对遥操作需求,本文重点对EAMA机械臂的逆运动学算法和路径规划算法进行了研究,解决逆解算法的实时性、准确性和避障问题以及路径规划的复杂性、避障性问题,为冗余机械臂运动控制算法的研究提供理论基础。主要研究工作如下:  首先,修改和简化六自由度耦合机械臂的通用算法。建立机械臂多变量方程组并转换成矩阵形式,推导出单变量方程,以矩阵特征值方式求解出关节角度值。全过程以符号推演和数值计算为基础,最终带入变量参数,减少计算累积误差。通过验证可知算法具有实时性、高精度等特性,为冗余自由度逆解算法打下坚实的理论基础。  其次,针对EAMA耦合冗余机械臂逆运动学问题重点提出了基于几何求解和智能搜索方法相结合的算法。采用OTPP(障碍物拓扑划分投影法)的几何方法求解机械臂各模块在真空室内的FMS(自由度运动空间);利用带有特定规则的MIDFS(逆向深度搜索方法)搜索每个连杆的最优状态位置,优化准则为连杆与障碍物的最佳安全距离,以此得到了机械臂最优逆解结果。基于Matlab和Robwork等开源软件对算法的各项性能指标进行仿真和分析验证。  再次,提出了适合于机械臂本身结构特点和操作环境的路径规划算法,内窥任务时采用基于中心圆内接多边形的关节跟踪算法;作抓取任务时,在内窥任务的基础上作基于笛卡尔空间的插补规划算法。插补算法的实现基础是实时逆运动学算法,故可使运动路径连续稳定以及满足避障。基于Matlab和Robwork对机械臂的路径规划算法进行仿真和验证。  最后,搭建EAMA机械臂遥操作软件控制框架;基于QT搭建满足人机交互的软件框架操作界面;基于Robworkstudio建立机械臂运动场景,开发运动仿真和实时监测功能;通过ROS的通信机制实现各线程之间的通信,实现控制指令的有效传达。通过实验测试控制软件框架,验证了软件的稳定性和实用性。
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