基于改进蚁群算法的机器人双臂无碰撞路径规划

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1、东北大学硕士学位论文第一章绪论1．1机器人双臂路径规划的研究意义当前工业机器人的应用是为单臂机器人独自工作的能力准备的，这样的机器人只适应于特定的产品和工作环境，并且依赖于所提供的专用设备和工夹具。一般地，单臂机器人只适合于刚性工件的操作，并受制于环境。随着现代工业的发展和科学技术的进步，对于许多任务而言单臂操作是不够的。因此，为了适应任务的复杂性、智能性的不断提高而扩展为双手协调控制，即由两个单臂机器人相互协调、相互配合的去完成某种作业。但由于组成双手协调控制系统的是两个机器人，它们不可能是两个单手机器人的简单组合，除了它们各自共同目标的控制实现外，它们相互间的协调控

2、制以及对环境的适应性就成为组合的关键。由于每个机器人都有自己的控制器，各个机器人操作臂之间的协调是靠另外建立的更高一级的层级控制器进行协调规划和控制，这样双手协调控制机器人系统的进一步应用就受到了限制。因而，双臂机器人就应运而生了，双臂机器人比双手协调机器人更具有实用价值。双臂机器人某种程度上可以比作两个单臂机器人在一起工作的情况，当把其它机器人的影响看作是一个未知源的干扰的时候，其中的一个机器人就独立于另一个机器人。但双臂机器人作为一个完整的机器人系统，双臂之间存在着依赖关系。它们分享使用传感数据，双臂之间通过一个共同的联接形成物理耦合，最重要的是两臂的控制器之间相互

3、通信，手臂可以根据对方的动作而动作、轨迹规划和控制决策，也就是双臂之间具有协调关系。这在某种程度上可以与我们人体双臂的协调动作一样。在一个躯体中的二个单臂相应于两个高水平的控制器，把所有动作的协调作为一个基准，那么，我们自己双臂的动作过程就包含着复杂的机械系统、躯体反馈、视觉反馈、肤体接触、滑移检测以及脑力等在内的数据源，并且用预先获取的数据来确认这一资料数据的储存与处理能力。这正是双臂机器人区别于两个单臂机器人组合的关键。双臂机器人的作用特点主要表现在以下几个方面【M]：一是在末端执行器与机械臂之间无相对运动的情况下工作，如双臂搬运钢棒这样的刚性物体，比两个单臂机器人

4、的相应动作的控制要简单的多。二是在末端执行器与机械臂之间有相对运动的情况下通过两臂间的较好配合能对柔性物体如薄板等进行控制操作，而两个单臂机器人要做到这一点是比较困难的。三是双臂机器人的两机械臂能够各自独立工作用来对多目标的操作与控制，如将螺帽放到螺钉上的配合操作。东北大学硕士学位论文第一章绪论虽然双臂机器人是在单臂机器人的基础上发展起来的，但由于双臂机器人作用的特殊性，不能简单地把对单臂机器人有关的研究结果搬到双臂机器人上。因此，双臂机器人的研究成为机器人研究领域中的一个十分重要内容，它的研究对机器人技术的发展和应用有理论和现实意义。1．2双臂机器人路径规划研究现状目

5、前国内外对双臂机器人的研究主要在双臂的运动轨迹规划(包括碰撞避免)、双臂协调控制算法及操作力或力矩的控制等几方面。其中运动规划是解决多机器人在同一环境下的工作。这方面的研究工作通常分路径规划和轨迹规划两部分进行。部分学者对沿着特定路径运动的机器人的双臂控制问题进行了比较深入的研究。他们利用机器人的动力学方程建立了基于机器人动力特性的最优轨迹规划算法，并通过运用计算机仿真手段来找到每步运动的最佳路线，达到解决碰撞避免问题。概括地讲这些研究较好地解决了二维的运动轨迹规划问题，但对三维空间和具有冗余度的双臂运动轨迹规划方法和策略研究甚少134】。上海交通大学机器人研究所对双臂

6、机器人时间最优轨迹规划问题作了深入研究，成功地运用动态规划法对沿着特定路径运动的双臂机器人左、右臂进行了时间最优轨迹规划，从而保证机器人左、右臂在无碰撞的前提下，实现时间最优运动。哈尔滨工业大学的研究人员以双臂自由飞行空间机器人为背景的自主规划运动控制研究，通过建立双臂自由飞行空间机器人的运动学和动力学模型，得到微重力环境下该双臂机器人的广义雅可比矩阵来描述机械手末端速度和各关节角速度之间的关系，然后建立该双臂机器人在浮游状态下捕捉目标的任务规划算法及路径规划算法，并通过仿真系统验证其理论的正确性和算法的可行性。1．3双臂机器人无碰撞路径规划概述避障路径规划问题是机器人

7、手臂运动规划研究的一个重要方面，它是指给定操作环境，以及起始和目标的位置姿态，要求选择一条从起始点到目标点的路径，使机械臂达到目标位置，且在运动过程中机械臂之间、机械臂与环境之间均不发生碰撞。从空间描述方式来看，一般有两类：基于位姿空I'司(ConfigurationSpace，或称C空间)的避障路径规划、基于工作空f司(WorkSpace或称W空间)的人工势场法。前者一般称为全局方法，后者一般称为局部方法。在避碰研究之初，主要采用了基于工作空间的假设和检验方法。它是由Pieper[5】于1968年提出的，也是最早的机器人避碰方法。此法有