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双手爪攀爬机器人空间桁架中的无碰路径规划

作 者: 朱海飞
导 师: 张宪民
学 校: 华南理工大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 双手爪攀爬机器人 桁架攀爬 全局路径规划 夹持点规划 无碰运动规划
分类号: TP242
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
下 载: 51次
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内容摘要


双手爪攀爬机器人是指一类结构上由多自由度本体和首尾攀附装置组成的,通过两手爪交替固定并配合本体屈伸或扭摆等运动来实现自身整体移动的特种攀爬机器人。与传统轮式或履带式等攀爬机器人相比,其具有多种攀爬步态、良好的越障和杆件间过渡能力等优点。因而有望成为替代人类执行空间桁架中高强度、高危险的高空作业的自动化解决方案。但就国内外研究现状而言,双手爪攀爬机器人缺乏在空间桁架中进行自主智能路径规划的能力,相关理论研究几乎空白。本文以采用环抱式夹持的双手爪攀爬机器人作为研究对象,就其在空间桁架中进行无碰路径规划的相关问题展开系统的研究和深入的探讨。主要内容包括:(1)研究了空间桁架与双手爪攀爬机器人的描述方式,提出了以双位姿矩阵(基座位姿和末端位姿)来完整描述双手爪攀爬机器人与桁架之间的相互关系。基于该描述方法,提炼出双手爪攀爬机器人在空间桁架中无碰路径规划的共性问题,并建立了其数学模型。通过与双足步行移动方式类比,提出了逐步细化的三层规划器框架来解决该规划问题,并从宏观角度分析了全局路径规划器、夹持点规划器和单步无碰运动规划器的任务和作用。(2)探讨了以位置可达性与夹持安全性为约束的杆件间可过渡性快速筛选方法和以杆件间最近点为基础的过渡姿态选择策略,同时建立了对平面构型五自由度双手爪攀爬机器人在夹持姿态约束下进行可过渡性分析并准确求解可过渡区域的相关理论。基于上述杆件间过渡分析理论和方法,设计了全局路径规划器对桁架进行搜索以获取具有全局导向性的路径地图。通过仿真验证了过渡姿态选择策略和可过渡区域求解算法的正确性。(3)基于双手爪攀爬机器人的步态信息讨论了移动距离与所需最少攀爬步数的分段函数关系,提出了以夹持点数目最少为目标的基于关键位姿的夹持点规划算法。定义了可夹持区域的概念,并提出了一种基于二分逼近原理的快速搜索算法予以求解以及基于可夹持区域求解的夹持点规划算法。设计了夹持点规划器来分割全局路径地图以获取夹持点序列。通过仿真验证了可夹持区域求解理论和算法的高效性。(4)研究了双手爪机器人在多步连续攀爬中每一步无碰运动规划的具体模型。通过状态定义、随机采样和插值以及度量函数等共性设计,将双向快速扩展随机树算法(BiRRT)引入双手爪攀爬机器人的单步无碰运动规划。提出了前处理环节为规划器选择更加合理的起始和目标构型。通过仿真验证了单步无碰运动规划算法的有效性。(5)讨论了三层规划器的集成和协作问题,以及进行攀爬路径规划的具体步骤。通过规划五自由度和六自由度双手爪攀爬机器人在空间桁架中的攀爬路径的仿真实验,验证了本文所提出的规划器的理论、策略以及算法的有效性。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章 绪论  12-28
  1.1 引言  12
  1.2 研究背景  12-14
  1.3 国内外研究现状  14-26
    1.3.1 双手爪攀爬机器人研究现状  15-20
    1.3.2 双足步行机器人全局路径规划研究现状  20-21
    1.3.3 工业机器人无碰运动规划研究现状  21-25
    1.3.4 研究现状总结  25-26
  1.4 本课题的研究意义  26
  1.5 本文的主要研究工作  26-28
第二章 双手爪攀爬机器人路径规划问题描述和建模  28-42
  2.1 引言  28
  2.2 双手爪攀爬机器人  28-32
    2.2.1 设计灵感  28-29
    2.2.2 模块化平台Climbot  29-31
    2.2.3 双手爪攀爬机器人的概念及特点  31-32
  2.3 规划问题描述和建模  32-38
    2.3.1 桁架与双手爪机器人的描述  32-36
    2.3.2 双手爪机器人无碰路径规划问题描述  36-38
  2.4 规划器总体方案设计  38-41
    2.4.1 全局路径规划器  38-40
    2.4.2 夹持点规划器  40
    2.4.3 单步无碰运动规划器  40-41
  2.5 本章小结  41-42
第三章 双手爪攀爬机器人全局路径规划  42-64
  3.1 引言  42
  3.2 任意两杆件间的可过渡性研究  42-47
    3.2.1 判断准则  43
    3.2.2 夹持可达性约束  43-44
    3.2.3 夹持可靠性约束  44-45
    3.2.4 过渡时夹持姿态的选择  45-47
  3.3 在姿态约束下的可过渡区域求解  47-52
    3.3.1 问题描述  47-48
    3.3.2 过渡约束分析  48-52
    3.3.3 可过渡区域求解算法  52
  3.4 全局路径规划  52-59
    3.4.1 全局路径规划器  52-55
    3.4.2 全局路径规划关键算法  55-59
  3.5 算例仿真  59-63
    3.5.1 过渡姿态选择  60-61
    3.5.2 可过渡区域求解  61-63
  3.6 本章小结  63-64
第四章 双手爪攀爬机器人夹持点规划  64-100
  4.1 引言  64
  4.2 基本攀爬步态  64-66
  4.3 夹持点选择的基本原则  66-67
  4.4 基于关键位姿的夹持点规划  67-78
    4.4.1 移动距离与所需最少步数的函数关系  67-68
    4.4.2 规划问题的数学模型  68-70
    4.4.3 基于关键位姿的夹持点规划算法  70-78
  4.5 基于可夹持区域求解的夹持点规划  78-90
    4.5.1 可夹持区域的定义  79-80
    4.5.2 可夹持区域的求解  80-87
    4.5.3 可夹持区域搜索策略的改进  87-89
    4.5.4 推广至定姿态工作空间的求解  89-90
    4.5.5 基于可夹持区域求解的夹持点规划算法  90
  4.6 算例仿真  90-99
    4.6.1 可夹持区域求解  90-96
    4.6.2 定姿态工作空间求解  96-98
    4.6.3 关于双手爪机器人自由度数的讨论  98-99
  4.7 本章小结  99-100
第五章 双手爪攀爬机器人单步无碰运动规划  100-121
  5.1 引言  100
  5.2 单步无碰攀爬运动规划模型  100-101
  5.3 RRT无碰运动规划基本原理  101-103
  5.4 基于BiRRT的单步无碰运动规划算法  103-118
    5.4.1 状态定义和状态有效性测试  103-107
    5.4.2 度量函数定义  107
    5.4.3 规划的主要环节及其算法  107-118
  5.5 算例仿真  118-119
    5.5.1 规划Climbot-5D单步无碰攀爬运动  118
    5.5.2 规划Climbot-6D单步无碰攀爬运动  118-119
  5.6 本章小结  119-121
第六章 规划器集成和仿真验证  121-132
  6.1 引言  121
  6.2 规划器集成  121-123
  6.3 仿真验证  123-131
    6.3.1 规划Climbot-5D的无碰攀爬路径  123-129
    6.3.2 规划Climbot-6D的无碰攀爬路径  129-131
  6.4 本章小结  131-132
结论与展望  132-135
参考文献  135-143
附录1 Climbot-5D运动学  143-146
附录2 Climbot-6D运动学  146-149
攻读博士学位期间取得的研究成果  149-151
致谢  151-153
答辩委员会对论文的评定意见  153

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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