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《哈尔滨工业大学》 2007年
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障碍环境下非完整轮式移动操作机运动规划方法研究

闫庆辉  
【摘要】: 非完整轮式移动操作机(Wheeled Mobile Manipulator, WMM)是由非完整(nonholonomic)轮式移动平台以及操作臂构成的机器人系统。该系统的特点是既有大范围移动能力,又有灵活操作能力,在许多领域有着广阔的应用前景,其研究具有重要理论和实际意义。 运动规划是非完整WMM系统研究领域关键技术之一。非完整WMM系统结构上的优越性随之带来运动规划问题研究上的复杂性。非完整WMM系统位形空间虽存在不可积非完整约束却具有完全可控性。移动平台和操作臂两个子系统的组合使非完整WMM系统具有运动冗余性,要求运动协同性。障碍环境下要求非完整WMM运动具有安全避障性。 本文在黑龙江省基金项目(项目编号:20010701018)支持下,在分析总结国内外大量相关研究文献基础上,对非完整WMM系统运动规划问题进行了深入研究。 基于D-H坐标系以及Lagrange法,分别建立了非完整WMM系统以及非完整移动平台和操作臂两个子系统的运动学模型和动力学模型;分析了非完整WMM系统动力学模型结构特性,在此基础上根据Lyapunov稳定性理论设计了非完整WMM系统点到点运动控制律。 非完整WMM系统受限障碍空间无碰运动规划问题研究具有重要实际意义,但相关研究还鲜见报道。针对该问题本文提出了受限空间无碰路径多点随机规划方法(MPPM)。通过非完整移动平台路径规划得到满足非完整约束的平台无碰路径,以平台路径为非完整WMM系统位形约束条件,通过离散化策略对该系统的位形子空间随机采样,用离散构造策略构造k分连通图满足运动协同性,通过图的搜索进行无碰路径查询。实现了高自由度非完整WMM系统受限空间内无碰协调运动。 利用梯度投影法(Gradient Projection Method, GPM)对非完整WMM系统逆运动学求解,将随机规划与逆运动学求解方法相结合,提出了基于GPM的无碰轨迹规划方法。无碰轨迹规划分为初规划和逆运动学求解两个子过程;利用随机规划进行路径初规划,根据初规划结果求得非完整WMM系统引导位形序列,由引导位形序列构造目标切换函数以及非完整WMM终端轨迹,利用零空间梯度投影算法得到最终无碰轨迹。 针对给定终端(End Effector, EE)路径约束条件下运动规划问题,提出了基于粒子群(PSO)技术的运动规划方法。将终端路径离散化,选择非完整移动平台控制输入矢量作为粒子,使得非完整约束条件自然被满足;在每个离散点利用非完整WMM系统逆运动学求解得到该系统整体位形;通过粒子群位形优化技术得到满足终端约束条件路径。对障碍环境和非障碍环境两种规划情况分别定义了不同适应度函数;对障碍环境下无碰运动规划问题,将距离势函数引入粒子适应度函数,有效实现了非完整WMM满足终端约束条件下避障运动。 为验证非完整WMM系统运动规划方法有效性,利用Visual C++6.0、MATLAB及VRML虚拟现实语言实现了二维及三维计算机规划仿真。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP242

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
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【同被引文献】
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