基于Tau理论的机器人抓取运动仿生轨迹规划-论文.pdf

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1、第50卷第13期机械工程学报V01．50N0．132014年7月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJu1．20l4DoI：1O．3901，JME．2014．13．042基于Tau理论的机器人抓取运动仿生轨迹规划木张书涛张震钱晋武(上海大学机电工程与自动化学院上海200072)摘要：针对机器人在抓取目标前的接近运动，提出一种基于Tau理论的仿生轨迹规划方法。Tau理论是认知科学研究者通过试验研究总结出的人和动物在接近和抓取物体时的运动策略。在Tau理论的基础上，对Tan理论的两

2、种基本运动策略(Tau耦合策略和内部Tan．g引导策略)进行运动学分析。针对内部Tau．g引导策略初始加速度不为零的问题，提出内部jerk引导的策略(内部1'au．j引导策略)，并推导出基于Tau理论的机器人接近运动的轨迹规划公式。以三自由度平面机器人为例，进行轨迹规划、运动学分析、动力学分析、仿真和试验。结果表明，运用Tau理论进行轨迹规划，机器人手部的位置和姿态可在确定的时间同时到达目标，关节速度曲线、加速度曲线和驱动力矩曲线光滑连续，笛卡儿空间的轨迹是具有“钟形”光滑连续速度曲线的直线，验证了方

3、法的有效性。关键词：Tau理论；仿生；机器人；轨迹规划中图分类号：TP242Bio-inspiredTrajectoryPlanningforRobotCatchingMovementsBasedonTauTheoryZHANGShutaoZHANGZhenQIANJinwu(SchoolofMechatronicsandAutomation，ShanghaiUniversity,Shanghai200072)Abstract：Abio—inspiredtrajectoryplanningmethod

4、forrobotreachingmovementtocatchanobjectispresented．ThemethodisbasedontheTantheorywhichhasbeenestablishedbycognitivescienceresearchersfromstudyingthenaturalmotionpatternswhenanimals(includinghumans)approachingandcatchingatargetobject．BasedontheTautheory,

5、twofundamentalmotionstrategies，namely,theTancouplingstrategyandtheintrinsicTan—gguidancestrategyhavebeenanalyzed．InordertosolvetheproblemthattheinitialaccelerationvalueisnonzerointheintrinsicTan—gguidancestrategy,anewstrategy,namely,theintrinsicconstant

6、jerkTauguidancestrategyispresented．ThetrajectoryplanningformulaebasedontheTautheoryarederived．Trajectoryplanning，kineticsanalysis，dynamicanalysis，computersimulationandexperimentsareperformedona3-DOFplanarmanipulator．Theresultsshowthat，byusingtheproposed

7、method，theend—efectorcanachievereachingthetargetpositionandattitudeatthesamedefinitetimewithgoodcontinuityofjointvelocityandacceleration，andthetrajectoryinCartesianspaceisastraightpathwithasmoothbell—shapedvelocityprofile．Keywords：Tautheory；bio-inspired

8、；robot；trajectoryplanning类的这种运动控制机制以提高机器人抓取运动的性0前言能有重要意义。在过去的几十年里，许多学者对机器人的抓取和机器人的控制系统相比，人类的控制机制经任务进行了研究，但都没有仿生轨迹规划方面的研历了几百万年的自然进化过程，使得人能够快速、究和应用，通常采用的轨迹规划方法是基于几何曲灵活、准确地完成抓取操作和其他接近任务，具有线的方法，如梯形速度曲线J，三次多项式插值J，很高的鲁棒性。比如人可以轻易地拿起桌上的水