随着社会的不断发展和用户需求的不断提高,机器人需要完成越来越复杂的任务,为人类提供各种各样的服务。然而,面对越加复杂的家庭任务,在各种因素的影响下机器人执行任务的效果很不稳定,往往发生难以预料的问题,很可能给昂贵的机器人硬件带来损坏,具有很大的风险和不稳定性。因此,非常有必要在仿真平台中对机器人进行虚拟实验,模拟真实环境中可能发生的各种情况,找出并解决机器人实际作业时可能出现的问题,确保机器人在真实环境中执行任务的安全性和准确性。本文根据山东大学服务机器人实验室的真实情况进行仿真场景的设计,构建了一种针对家庭服务机器人的三维运动仿真平台。作为模拟机器人运动的复杂系统,家庭服务仿真平台不仅含有必要的家庭物品模型和机器人模型,还应具备其他功能模块,例如场景编辑、碰撞检测、路径规划、运动规划和任务规划模块等,它们也都发挥着不可或缺的作用。因此,本文先从一个宏观的角度对仿真平台的系统架构做一个总体设计,阐明了各功能模块的作用以及相互之间的联系,并重点对路径规划模块与运动规划模块展开深入研究。路径规划模块作为家庭服务仿真平台的重要组成部分,直接影响机器人在复杂室内环境下的导航能力水平。家庭环境没有像工厂那样规整的格局,物品分布比较杂乱和无序化,机器人移动时面临避障等难题,传统的栅格法已难以适应三维复杂场景下的地图处理和路径规划需求。因此,本文提出了一种基于导航网格的A*算法,先对场景地图中的可行走区域进行提取,进而找出到达目标点的最终路径,极大地简化了寻路算法所需处理的数据量。运动规划模块是家庭服务仿真平台需要设计和研究的难点。机器人作为一个多关节的复杂机构,其运动受到多因素、多变量的影响与控制。本文从最基本的运动学分析出发,详细探究了机器人关节变量和位姿控制之间的关系。由于传统方法难以适用于冗余自由度机器人的逆运动学求解,本文借助粒子群算法,把关节变量转化为粒子的位置坐标,进而迭代搜索适应度最优的粒子。在此基础上,本文设计了机器人两种轨迹规划的方式,深入探讨了两者的优缺点和适用场景,有助于机器人在仿真平台中的动作实现与任务执行。本文通过在仿真环境中让机器人执行具有代表意义的典型家庭任务,如抓取水杯、开抽屉、为用户拿饮料等,测试了仿真平台各功能模块的有效性和对复杂任务的仿真能力,验证了利用仿真平台模拟机器人执行日常家庭任务的可行性。此外,还可根据仿真效果对机器人的行为动作、控制算法和服务策略进行分析评价,做出调整和改进,从而获得高效的机器人任务执行方案,提高机器人的服务能力和水平。