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服务机器人双臂协作技术研究及实现

李宪华  
【摘要】:服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术的集成体。人型化的服务机器人拥有着人体手臂一样的双臂系统,而双臂协调操作是提高机器人系统操作能力、负载能力、可靠性及扩展操作空间的有效途径,一直是机器人研究领域的热点。 本课题来源于国家863计划资助项目“家庭生活支援多机器人系统”。论文以“服务机器人双臂协作技术研究及实现”为题,以课题组自主研发的服务机器人的双臂为研究对象,旨在探索双臂协作的运动及控制机理,实现双臂的拟人协调操作。研究内容主要包括双臂运动学及标定、双臂协调运动规划、双臂拟人动作规划及双臂协作Petri网建模四方面内容,论文主要工作如下: 1)建立了具有轻量化与系统开放性特点的服务机器人双臂系统。针对普通工业机器人手臂重量比较大与控制系统封闭,不适合用于服务机器人手臂的缺点,采用代码开放的模块化关节构成服务机器人的双臂系统,机器人整体质量大大减轻。在完成了双臂硬件系统连接的基础上,根据关节功能模块化的特点,设计了双臂分布式控制的软件系统方案。 2)从易于理解和实时性角度出发,完成了双臂运动学解算;采用相对误差的方法,对双臂进行了运动学标定。运用DH法描述了机器人双臂的结构参数,得到了双臂的正运动学方程;在逆运动学求解过程中,针对纯代数法不易查找独立不相关变量方程的缺点,采用几何方法求解手臂前三个关节,后三个关节使用代数法求解。编制基于VC++的算法验证程序,验证了算法的正确性及实时性。建立了相对误差的运动学标定模型,利用激光跟踪仪对双臂进行了标定,提高了手臂的定位精度。 3)完成了单个机器人手臂的轨迹规划,深入分析了双臂四种协调运动的约束关系。对于机器人手臂关节空间,采用LSPB插值方法进行轨迹规划;笛卡尔空间采用直线插补与圆弧插补的方式进行规划,而为了使旋转运动更加均匀,对于手臂姿态则运用四元数法进行插值。双臂与所持物体形成一封闭的运动学链,针对双臂搬运刚体、持钳运动、操作球铰物体与螺栓装配四种协调运动进行了深入探讨。采用主从跟随控制方式,由主臂初始状态和运行条件,求得从臂运动速度,以完成双臂的协调运动;对于机器人单臂与双臂运动规划都进行了指令化,并编写示教软件实现了对机器人手臂的运动控制。 4)从神经学生理学角度出发,对服务机器人双臂进行了姿态类人优化设计,建立了双臂拟人姿态的数学模型。为了使机器人双臂能够产生类人动作,首先分析了人体手臂结构、自由度及运动机理,然后结合神经生理学的研究成果与服务机器人双臂的特点,优化了双臂的初始姿态,在对人体手臂感知运动转换模型修正的基础上,得到了服务机器人双臂产生拟人姿态的数学模型。 5)建立了单臂和双臂任务操作的Petri网模型,并分析了其基本性能,设计了基于此模型为内核的双臂协调操作控制结构。根据手臂操作任务的特点对双臂操作进行了分类,即协调操作任务和非协调操作任务,建立了单臂和双臂任务操作的Petri网模型,采用可达图的方法对模型进行了分析,得出了双臂协作网络模型是有界的、活的和守恒的结论;以此模型为服务机器人双臂任务操作的协调层,研发了双臂协作的分层递阶控制系统架构。 6)为了验证本文所提出的算法及方法的有效性,以家庭一般性服务和娱乐为对象,在服务机器人本体平台上进行了一系列的功能和性能实验,测试了服务机器人双臂系统硬件的可靠性及软件的稳定性,对实验结果进行了分析,并指出了不足。 本论文有关服务机器人双臂协调操作的研究,将有助于开放式系统下机器人手臂运动能力、拟人程度、操作性能及稳定性的提高,这将对拓展机器人的应用领域,具有积极的学术意义和重要的实际意义。


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