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双机器人协调运动方法的研究

作　者: 欧阳帆
导　师: 张铁
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 双机器人协调碰撞检测避碰路径规划协调焊接运动学协调力控制
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

现代工业的发展和机器人技术的进步使得机器人的性能不断提高，机器人应用的领域和范围正不断扩展，机器人将会越来越多地代替人类去执行更多更复杂的作业。为了适应不断提高的任务复杂性、操作智能性以及系统柔顺性等要求，双机器人乃至多机器人之间的协调和协同作业是机器人技术在工业环境中进行推广和应用急需解决的关键技术之一。由于多机器人系统(主要是多机器人操作臂)操作物体时形成闭链系统，存在受限运动及冗余度控制问题，意味着多机器人系统需要解决规划方法、解析方法和可行的控制方法等问题。本文以两台六自由度工业机器人的运动学协调和带有力控制的协调作业方法为研究对象，对双机器人系统的避碰路径规划方法、双机器人之间坐标系标定、协调运动轨迹规划和优化方法、带有力反馈控制的协调作业方法等问题进行了系统深入的研究，主要内容如下：针对双机器人系统的碰撞检测和避碰路径规划问题，提出了基于八叉树数据结构的三层球体碰撞检测模型、用于有向包围盒（Oriented Bounding Boxes，OBB）之间最短分离距离和最短穿透距离计算的SAT-SDPD算法。通过仿真验证了提出方法的有效性和可行性，比较和分析了不同包围盒建模方法的快速性和准确性。提出了基于速度排斥场的避碰路径规划和优化方法，通过数值仿真分析证明了使用改进的速度排斥场模型在双机器人避碰路径规划中具有较好的效果。双机器人协调焊接轨迹规划方法的研究是进行双机器人协调焊接以及保证焊接质量的前提。论文对焊缝进行了离散化及建立离散点的坐标系，提出在船型焊约束下对工件坐标系{WP}进行位姿规划的非主从式双机器人协调焊接轨迹规划方法，并提出在笛卡尔空间中基于操作性最优的工件坐标系{WP}位置的优化搜索方法。通过仿真验证了协调焊接轨迹规划方法和工件坐标系{WP}位置优化搜索方法的有效性。运动学协调是双机器人协调作业的基础，也是实现带有力控制的协调的前提。论文提出了获得两台机器人基座坐标系之间位姿矩阵的三点标定方法，通过数值仿真验证了提出方法的有效性；提出了通过离线计算，自动生成所需的从机器人的协调跟随运动路径点和协调镜像运动路径点的协调路径生成方法。试验结果表明，从机器人协调运动轨迹精度满足工业应用要求，验证了该离线计算方法的有效性。针对双机器人协调搬运作业中的内力控制问题，对双机器人共同抓取一个物体的静力学进行分析，基于现有的位置/力混合控制与阻抗控制这两种典型力学控制方法，提出了基于遗传算法优化的双机器人协调搬运速度阻尼PD控制方法。试验结果表明，相比优化前的速度阻尼P控制误差减小，验证了提出的控制方法和优化算法的有效性。最后为验证轨迹规划方法和力控制方法的有效性和可行性，搭建了双机器人运动学协调和力学协调两个实验平台进行试验研究。试验分为两部分，第一部分为运动学协调试验，包括了两个试验，分别为在已知主机器人末端运动路径的条件下，离线生成从机器人协调跟随运动路径试验，以及离线生成从机器人协调镜像运动路径试验。第二部分为基于力反馈阻尼控制的双机器人力学协调搬运试验。试验结果表明，双机器人运动学协调轨迹精度达到工业机器人作业要求，双机器人协调搬运内力控制具有较好的瞬态性能，跟踪精度和鲁棒性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
主要符号表  12-15
第一章绪论  15-30
  1.1 研究背景和意义  15-16
  1.2 国内外相关领域研究现状和综述  16-28
    1.2.1 运动学协调  16-22
    1.2.2 双机器人碰撞检测与避碰路径规划研究现状  22-25
    1.2.3 双机器人力学协调研究现状  25-28
  1.3 本文研究内容  28-30
    1.3.1 课题研究的提出  28
    1.3.2 研究内容  28-29
    1.3.3 本文研究内容和体系结构  29-30
第二章双机器人碰撞检测及避碰路径规划方法研究  30-77
  2.1 引言  30
  2.2 机器人模型介绍  30-32
  2.3 碰撞检测与避碰路径规划的数学基础  32-39
    2.3.1 最短分离距离与最短穿透距离  32-33
    2.3.2 球体之间的碰撞检测与距离计算  33
    2.3.3 圆柱体之间的碰撞检测与距离计算  33-34
    2.3.4 OBB 之间碰撞检测与距离计算基本理论  34-39
  2.4 基于八叉树数据结构的三层球体碰撞检测模型  39-44
    2.4.1 基于八叉树结构的广义正方体包围球模型  39-41
    2.4.2 广义长方体的三层包围球模型  41-44
  2.5 基于 OBB 简化建模的碰撞检测与距离计算模型  44-51
    2.5.1 OBB 包围盒距离计算算法基础  44-46
    2.5.2 OBB 包围盒距离计算算法  46-51
  2.6 基于速度排斥场的避碰路径规划方法研究  51-60
    2.6.1 速度排斥场模型介绍  51-52
    2.6.2 避碰路径生成系统介绍  52-54
    2.6.3 速度排斥场模型的分析和改进  54-60
  2.7 双机器人碰撞检测与避碰路径规划仿真研究  60-75
    2.7.1 双机器人运动学仿真平台的建立  60-61
    2.7.2 仿真运动描述  61-62
    2.7.3 基于八叉树数据结构的三层球体建模碰撞检测模型仿真研究  62-65
    2.7.4 三种包围盒建模距离计算模型的仿真研究  65-70
    2.7.5 三种速度排斥场模型在双机器人避碰路径规划中的仿真分析  70-75
  2.8 本章小结  75-77
第三章双机器人协调焊接方法研究和仿真系统设计  77-116
  3.1 引言  77
  3.2 工业机器人运动学基础  77-79
    3.2.1 运动学正解  78
    3.2.2 运动学逆解  78-79
  3.3 焊缝离散化及离散点坐标系的建立  79-84
    3.3.1 直线焊缝离散化  82-83
    3.3.2 曲线焊缝离散化  83-84
  3.4 双机器人协调焊接轨迹规划方法  84-95
    3.4.1 双机器人运动链的解耦  85-86
    3.4.2 空间旋转轴位置设置分析  86-89
    3.4.3 双机器人协调焊接运动约束条件  89-95
  3.5 基于协调焊接任务速度可操作性最优的轨迹优化算法的研究  95-97
    3.5.1 优化目标设计  95
    3.5.2 优化变量搜索  95-97
  3.6 协调焊接运动仿真和可操作性优化仿真  97-115
    3.6.1 双机器人运动学仿真平台的建立  97-98
    3.6.2 钢制弯头协调焊接运动学仿真  98-103
    3.6.3 轿车排气歧管协调焊接运动学仿真  103-109
    3.6.4 双机器人协调焊接工件坐标系最优位置搜索仿真  109-115
  3.7 本章小结  115-116
第四章双机器人运动学分析和协调方法研究  116-130
  4.1 引言  116
  4.2 双机器人系统坐标系标定  116-118
  4.3 双机器人运动学协调跟随运动离线路径生成方法研究  118-122
    4.3.1 坐标系建立和运动学约束分析  119-120
    4.3.2 从机器人变姿态协调跟随运动离线路径生成方法  120-122
  4.4 双工业机器人协调镜像运动路径生成方法研究  122-127
    4.4.1 坐标系建立和运动学约束分析  123-124
    4.4.2 空间平面方程的计算  124
    4.4.3 从机器人工具末端路径点生成  124-127
  4.5 双机器人基坐标系标定仿真  127-129
  4.6 本章小结  129-130
第五章双机器人力控制和协调方法研究  130-153
  5.1 引言  130
  5.2 双机器人抓取同一个物体的静力学分析  130-132
    5.2.1 施加在质心上的外力和外力矩的计算  130-131
    5.2.2 物体所受内力和内力矩  131-132
  5.3 机器人的力学控制方法  132-135
    5.3.1 位置/力混合控制  132-133
    5.3.2 阻抗控制方法  133-135
    5.3.3 位置/力混合控制与阻抗控制的比较  135
  5.4 基于遗传算方法优化的双机器人协调搬运速度阻尼 PD 控制  135-143
    5.4.1 力反馈阻尼控制  136-139
    5.4.2 基于遗传算法的 PD 系数寻优  139-143
  5.5 力控制算法仿真  143-152
    5.5.1. 仿真环境介绍  143-144
    5.5.2. 仿真模型介绍  144
    5.5.3. 算法仿真  144-152
  5.6 本章小结  152-153
第六章双机器人运动学协调与力控制实验  153-170
  6.1 引言  153
  6.2 控制系统结构  153-154
  6.3 实验平台简介  154-156
  6.4 双机器人运动学协调实验  156-161
    6.4.1 双机器人协调跟随运动实验  156-159
    6.4.2 双机器人协调镜像运动实验  159-161
  6.5 双机器人力学协调搬运实验  161-169
    6.5.1 实验准备  161-162
    6.5.2 双机器人力学协调搬运实验设计  162-165
    6.5.3 使用遗传算法获取优化的 PD 系数实验  165-167
    6.5.4 实验结果和分析  167-169
  6.6 本章小结  169-170
总结与展望  170-173
  7.1. 研究总结  170
  7.2. 创新点  170-171
  7.3. 未来研究工作展望  171-173
参考文献  173-180
附录I 计算 SDmin时判断点落在 26 个区域的判断方法  180-183
攻读博士学位期间取得的研究成果  183-184
致谢  184-185
附件  185

双机器人协调运动方法的研究

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