可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化、柔性化、個(gè)性化已成為當(dāng)前產(chǎn)品開發(fā)的主要發(fā)展方向。可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)(Reconfigurablemodularrobotsystem,RMRS)由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定裝配結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊、末端執(zhí)行器模塊以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、控制、通信模塊等以搭積木的方式構(gòu)成，能根據(jù)用戶需求構(gòu)成不同自由度和構(gòu)型的機(jī)器人系統(tǒng)，能適應(yīng)多種多樣的任務(wù)需求和應(yīng)用場合?？芍貥?gòu)模塊化設(shè)計(jì)不僅面向制造者，也是面向用戶的

2、，用戶更容易按需定制，對(duì)構(gòu)型進(jìn)行自由設(shè)計(jì)、構(gòu)造，具有更大的靈活性。對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃及分布式控制系統(tǒng)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，使之進(jìn)一步得到實(shí)用化，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。
　　可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的適應(yīng)性和可重構(gòu)性取決于模塊本身的性能及模塊之間的匹配連接能力。在對(duì)機(jī)器人的模塊進(jìn)行合理劃分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊、夾持器模塊及快速連接模塊等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K系統(tǒng)。將關(guān)節(jié)模塊設(shè)

3、計(jì)成集驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、控制及通信于一體的智能單元。在智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)工具上開發(fā)了構(gòu)型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以人機(jī)交互方式輔助實(shí)現(xiàn)構(gòu)型的設(shè)計(jì)，采用層次分析法對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策。
　　由于可重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)型的多樣性，研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的通用計(jì)算方法是應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。采用運(yùn)動(dòng)旋量和指數(shù)積公式建立可重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，系統(tǒng)地分析指數(shù)積公式的化簡方法、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解子問題的分類及其計(jì)算方法，為可重構(gòu)機(jī)器人封閉形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的自動(dòng)生成提供一種可分解

4、的計(jì)算方法，降低了求解的復(fù)雜性；由于并不是所有的構(gòu)型都有封閉解，研究了基于雅可比矩陣的通用數(shù)值迭代法計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。采用降維搜索和二分法計(jì)算工作空間的邊界點(diǎn)，并提出采用雙向鏈表確定工作空間多連域截面封閉曲線的算法，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)機(jī)器人三維工作空間的自動(dòng)計(jì)算。
　　在運(yùn)動(dòng)螺旋與力螺旋的基礎(chǔ)上，采用拉格朗日方程對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。將運(yùn)動(dòng)螺旋表示的指數(shù)積公式、雅可比矩陣，以及力螺旋及其變換應(yīng)用到動(dòng)力學(xué)的拉格朗日方程中，得到封閉顯

5、式的拉格朗日方程，可以分析復(fù)雜的受力情況，使可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算形式簡潔，易于程序化實(shí)現(xiàn)；便于進(jìn)行構(gòu)型的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)以及控制系統(tǒng)的分析與綜合。
　　討論了多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人在有障礙物的復(fù)雜工作環(huán)境中的路徑規(guī)劃問題。提出一種在機(jī)器人工作環(huán)境中建立數(shù)值人工勢(shì)場的算法，結(jié)合數(shù)值人工勢(shì)場提供的特征信息，采用遺傳算法在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行分段路徑規(guī)劃，提高了計(jì)算效率和路徑規(guī)劃的質(zhì)量，適合可重構(gòu)機(jī)器人各種構(gòu)型的路徑規(guī)劃。軌跡規(guī)劃可以在笛卡爾空間

6、進(jìn)行，也可以在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行，但路徑約束一般是在笛卡爾坐標(biāo)中給定的，而關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)中受控制的，因此提出了一種滿足笛卡爾空間與關(guān)節(jié)空間混合約束的機(jī)器人平面曲線軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)規(guī)劃的軌跡與要求的軌跡的偏離情況，非均勻地插入控制節(jié)點(diǎn)，通過增加有限的控制節(jié)點(diǎn)，來有效地控制偏差，減少計(jì)算量。
　　由于可重構(gòu)機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成智能關(guān)節(jié)，以及其自由度、構(gòu)型的多樣性，控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由三個(gè)子控制層組成。第一層為路徑

7、規(guī)劃控制層，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程規(guī)劃和路徑指定；第二層為軌跡規(guī)劃層，規(guī)劃各關(guān)節(jié)的時(shí)基關(guān)節(jié)變量，產(chǎn)生各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令，通過RS-485網(wǎng)絡(luò)，采用Modbus協(xié)議，分發(fā)給各關(guān)節(jié)控制器；第三層為關(guān)節(jié)控制層，接收上位機(jī)的指令，完成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。設(shè)計(jì)了各關(guān)節(jié)的控制器及驅(qū)動(dòng)器硬件電路，各關(guān)節(jié)采用基于Anti-windup校正的PID控制器實(shí)現(xiàn)了帶速度環(huán)和位置環(huán)的關(guān)節(jié)位置控制。最后通過可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，達(dá)到