论文部分内容阅读
人类研究制作机器人的目的是使其能够取代或者协助人类自身完成各项工作,例如一些乏味的制造类工作或是一些危险性工作。机器人通过模拟人类或生物的某种功能而具备完成任务的能力。通常情况下,操作和移动是机器人所应具有的最基本功能。操作功能由机器人手臂机构实现,移动功能由腿机构、车轮或履带机构完成。此种设计方法使得机器人需要更多的机构自由度及相应的驱动元件,这将导致机器人机构设计变得复杂及其本体重量的增加,降低了机器人的负载能力及移动的灵活性。本文提及的三肢体机器人采用将移动机构与操作机构融为一体的设计方法,有效地解决了由于机构独立设计带来的机器人本体体积及重量增大、负载能力降低以及系统结构复杂的问题,对移动机器人的研究与应用具有十分重要的意义。相应地,此种新颖的肢体机器人设计在运动规划和控制层面上也带来了新的问题及挑战。 为了方便操作者对三肢体机器人进行控制和规划,本文提出了集成交互环境系统(Integrative Interaction Environment,IIE),它是集三肢体机器人运动规划、柔顺控制、动力学仿真、人机通讯和虚拟环境于一体的人机图形交互系统。IIE系统采用模块化结构进行设计,每一个软件模块都能够方便地更新与替换。基于集成交互环境的系统框架,划分为五个关键层面的子系统——运动规划子系统、柔顺控制子系统、动力学仿真子系统、人机通讯子系统和虚拟环境子系统。采用统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)对各子系统进行了分析与设计,并在JAVA/JAVA3D开发平台上给予实现。 三肢体机器人的每个肢体末端是永磁吸附机构,行进过程中通过与接触表面吸附赋予机器人平稳运动的能力。吸附的可靠性是三肢体机器人行走与操作过程稳定性的决定因素。为了获得可靠的吸附,本文采用牛顿-欧拉方法建立了三肢体机器人的动力学模型,基于该模型对机器人的稳定性问题进行了全面地分析。建立了三肢体机器人的能量消耗模型,提出嵌套优化遗传算法对时间及能量进行优化计算,在与传统遗传算法计算耗时相同的情况下提高了优化结果的精度。 三肢体机器人采用新颖的三分支机构,使其具有多种灵活的基本运动步态,如蠕动步态、翻转步态、交叉步态和转向步态等,基本步态用以实现同一平面内的行走。本文采用模糊推理方法,在基本步态基础之上生成演化步态,用以实现两交叉平面间的行走。随后提出了基于向量场的三肢体机器人3D动态空间导航策略,实现了机器人在3D动态空间中的无碰撞行走。 三肢体机器人是多关节冗余度机器人,由于冗余度机器人的运动学方程式中系数矩阵的秩大于增广矩阵的秩而无法对之求解。传统的做法中一般是要在寻求路径的某些过程中牺牲一些关节以求得唯一解。但是此类做法严重影响了多关节机器人的灵活性,违背了设计者的初衷。鉴于此,本文提出一种新的渐进式遗传算法,将笛卡尔空间坐标位姿能够自动、有效地映射到关节空间,最大限度保留了多关节机器人的灵活性。同时提出变策略遗传算法,解决渐进式遗传算法在动态环境应用中出现的振荡和易陷入局部极小点的问题。 三肢体机器人在行走和操作时所接触的环境刚度变化范围很大,对其进行相应的柔顺控制有利于提高系统的稳定性和鲁棒性。本文设计了三维力/力矩传感器和模糊自适应控制器来提高三肢体机器人对不同环境刚度的适应能力。实验证明了该柔顺控制系统的有效性和可行性。 最后,建立了三肢体机器人的硬件实验系统,进行了基本步态、演化步态、渐进式遗传算法规划和变策略遗传算法规划实验。实验结果验证了三肢体机器人步态设计的合理性以及机器人演化步态、运动规划、能量优化控制策略的有效性。