双臂scara机器人快速无碰撞运动规划及其在装配单元布局中的应用

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1、上海交通大学博士学位论文双臂SCARA机器人快速无碰撞运动规划及其在装配单元布局中的应用摘要(双臂机器人是一种具有新型本体结构和控制模式的精密装配机器人双臂机器人较之于单臂机器人具有显著优点，可以完成更为复杂的装配、检测任务，具有更高的性能价格比，并可极大的提高机器人和工作空间的利用率。但在提高双臂机器人性能的同时，却引出了双臂机器人控制中两个操作臂之间的相互协调问题。解决双手协调需要通过对两个操作臂间的运动规划来实现，双臂机器人在规划操作臂的运动时，不仅要考虑两个操作臂各自所完成任务的需要，同时还要解决两个高速运动的操作臂间的相互碰撞问题。由于双臂机器人较单臂机器人运动

2、规划问题的复杂性，许多对两个或多个机器人的运动规划研究结果均难以在实际工作中得到应用，即便是对于世界上首先推出商品化双臂机器人的日本TESCON公司，对该问题的处理方法依然停留在单臂机器人时代，沿袭了示数再现和动作级编程语言相结合的方式，从而在一定程度上制约了双臂机器人的实际应用。／，。为了解决双臂机器人运动规划问题，本文在国家自然科学基金和八六三网点基金以及其它合作项目资助下，以日本TESCON公司的双臂SCARATES机器人为研究对象，对双臂机器人无碰撞规划中的一些理论问题进行了全面深入的研究，在基于双臂机器人原有控制模式和编程语言基础上，提出了双臂SCARATES机

3、器人实时无碰撞运动规划算法。建立r双臂机器人“汽车后视镜三K行星齿轮减速器”自动化装配单元的实验平台，并针对双臂机器人装配单元装配任务和单元布局优化问题提出了解决途径，同时利用该实验平台进一步验证了所提出的双臂机器人无碰撞运动规划方法。／围绕双臂机器人无碰撞运动规划及其在自动化装配单元布局中的应用，本文主要开展了以下研究：(1)双臂SCARATES机器人系统结构及运动学分析。介绍了双臂SCARATES‘机器人的系统组成，对它的机械构型、功能作了概括总结，上海变通大学博士学位论文本章同时对双臂SCARATES机器人的运动学性能(可操作度、运动学方程、工作空间)进行了详尽的分

4、析和介绍，以便为后续双臂SCARATES机器人无碰撞运动规划研究提供严格的数学基础。(2)机器人无碰撞路径规划中的碰撞检测。以凸多面体为工具对机器人及周围障碍物进行数学描述，分析了基于凸多面体顶点表示法和闭半空间表示法的机器人和障碍物建模方法。给出了基于顶点表示法的凸多面体之间距离求取方法，并通过对基于闭半空间表示法的凸多面体之间距离的深入研究，将C空间的概念应用于凸多面体之间距离计算，并得到了相应的基于闭半空间表示法的凸多面体问最短有向距离函数。(3)基于可达流形和接触流形的机器人C空间障碍物边界的建立。介绍了c空间的建立方法，通过对刚体运动以及克里福特代数间关系的深入

5、研究，提出了刚体平面位移的虚空间表示方法。用可达流形反映机器人在工作空间中所有可达位置所对应的虚空间点集，用接触流形表示机器人进行平面运动并与障碍物接触时所对应的虚空间点集，则两个虚空间点集的交即为机器人对应的C空间障碍物的边界构形，从而以此建立了SCARA型机器人C空间障碍物边界求取算法。(4)双臂机器人实时无碰撞运动规划。根据双臂SCARATES机器人碰撞几何特征，利用基于可达流形和接触流形的机器人C空间障碍物边界的建立方法建立了双臂机器人C空间障碍物边界。通过对所建立的c空间障碍物边界计算的简化以及对自由C空间路径搜索算法的选择，并在基于原有控制系统结构的前提下提出

6、并实现了机器人的无碰撞运动路径的自动产生。(5)双臂机器人自动化装配单元装配规划及其布局。通过对一种产品的自动化装配任务的描述，详细分析了对装配单元所涉及的与装配代价相关的主要数据，然后利用佩特里网(PN)对基于双臂机器人装配单元的装配任务和装配单元布局进行了建模。并利用基于佩特里网的矩阵分析法推导出对装配单元装配代价的估计方法，用A‘算法得到了在不同任务序列条件下双臂机器人装配单元的优化布局。通过佩特里网对产品的双臂机器人装配过程进行建模，利用VisualObjectNet++仿真系统对所建立的模型的仿真证明了系统模型的正确性。(6)双臂机器人无碰撞运动规划及其在自动化

7、装配单元中的应用实验研究。选择“汽车后视镜三K行星齿轮减速器”作为双臂机器人的装配对象，首先对该装配单元所涉及的装配数据进行了描述，根据减速器各组成零件的几何特性分配了装配任务。针对一定数量的装置潜在位置点，任务序列与单元布局规划算法得到了装配单元的优化布局，并进行上海交通大学博士学位论文了装配系统佩特里网的建模与仿真。同时设计了完整的减速器装配单元及其控制系统，详细分析了减速器装配工艺，设计制造了装配单元周边装置，构造了减速器双臂机器人装配平台。以该实验平台为基础，对本文所提出的双臂机器人实时无碰撞规划算法进行了仿真和实验验