Theoretical and experimental research on time-optimal trajectory planning and control of industrial robots

提出了一种用于工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的新方法，它可以确保在关节位移、速度、加速度以及二阶加速度边界值的约束下，机器人手部沿笛卡尔空间中规定路径运动的时间阳短。在这种方法中，所规划的关节轨迹都采用二次多项式加余弦函数的形式，不仅可以保证各关节运动的位移、速度 、加速度连续而且还可以保证各关节运动的二阶加速度连续。采用这种方法，既可以提高机器人的工作效率又可以延长机器人的工作寿命以PUMA560机器人为对象进行了计算机仿真和机器人实验，结果表明这种方法是正确的有效的。它为工业机器人在非线性运动学约束条件下的时间最优轨迹规划及控制问题提供了一种较好的解决方案。

拟人机器人交互作用力的研究

拟人机器人的动力学具有高度非线性、高度耦合的特点,分析清楚各组成部分之间的交互作用力是实施高级控制方法的基础。文章在以往分析移动机械手的基础上,从整体建模的角度入手,对拟人机器人的交互作用力提出了一个新的模型,即神经网络模型。利用该模型对一个特殊的单一手臂运动的例子进行了拟合,其结果是收敛的。这说明提出的模型是有效的,此后,我们将陆续给出研究成果。

An Obstacle Cluster Based Data Fusion Method for Mobile Robot

首先给出了一种通过融合多个超声波传感器和一台激光全局定位系统的数据建立机器人环境地图的方法 ,并在此基础上 ,首次提出了机器人在非结构环境下识别障碍物的一种新方法 ,即基于障碍物群的方法 .该方法的最大特点在于它可以更加简洁、有效地提取和描述机器人的环境特征 ,这对于较好地实现机器人的导航、避障 ,提高系统的自主性和实时性是至关重要的 .大量的实验结果表明了该方法的有效性 .

基于初等运动的多机器人避碰及死锁预防

该文以一实际应用为背景提出了多移动机器人避碰及死锁预防算法 ,该算法将机器人的运行环境形式化地描述为初等运动集、冲突图、总任务集及机器人作业集 ,利用集合论、图论的有关方法及技术实现了多机器人间的避碰与死锁预防 .当机器人的运行环境改变时 ,只需要对相应的集合描述文件进行修改 ,而不用对程序做任何改动 .算法的另一个特点是利用避碰算法巧妙地完成了死锁预防 .仿真和实际运行证明了该算法高效可靠 .

仿尺蠖微小型壁面移动机器人运动规划与控制研究

本论文的研究内容是围绕国家“863”计划支持项目“基于探测机器人技术的反恐立体侦察监控示范系统”（编号：2004AA420110）和“微小型反恐侦察移动平台和探测关键技术研究”（编号：2005AA420230）展开的。研究工作以微小型壁面移动机器人的研制为实际背景，主要包括以下五个方面的内容：⑴ 机器人的运动学、动力学分析和控制系统设计；⑵ 机器人的运动步态分析；⑶ 机器人在狭窄空间中的运动规划方法研究，以及在壁面过渡时的运动规划方法研究；⑷ 欠平滑壁面上机器人的自主行为控制和针对动力学特性的重力补偿控制研究；⑸ 论文所提出方法的仿真分析和实验研究。 第一，介绍了微小型壁面移动机器人的欠驱动机构设计和三种运动模式；分别基于D-H坐标变换和拉格朗日方法，对机器人的运动学和动力学特性进行了分析，为接下来的步态分析、运动规划和控制研究奠定了基础；开发了微小型壁面移动机器人的嵌入式DSP控制系统，为论文中的仿真和实验研究提供了物理平台。 第二，对尺蠖的生物特征和运动机制进行了简要介绍，并总结了尺蠖运动的特点；通过理论计算和实验测试，分析了微小型壁面移动机器人的步行稳定性；在机构设计和运动学建模基础上，全面地分析了微小型壁面移动机器人的各种基本步态、派生步态和壁面过渡步态，同时引入用以描述步态之间转换关系的步态算子，为后续的运动规划和控制方法研究做好了理论铺垫。 第三，分析了微小型壁面移动机器人运动规划问题的特殊性；考虑到机器人运动时真空吸附的耗时问题和狭窄空间中步态选择的合理性，通过对局部动态窗口法进行改进，引入可达空间动态局部栅格和遍历搜索算法，提出了基于可行步态的微小型壁面移动机器人在狭窄空间中的运动规划方法；根据壁面过渡的步态分析结果，并考虑到吸盘足的真空吸附载荷和机器人的动力学特性，提出了基于步态参数规划与最小能耗轨迹优化相结合的微小型壁面移动机器人在壁面过渡时的运动规划方法。通过仿真分析和实验研究，验证了上述运动规划方法的合理性和有效性。 第四，针对欠平滑壁面上机器人吸盘足吸附失败时的自主行为控制问题，根据步态分析结果，建立了吸盘足的有限状态机模型，并按“就近”原则设定状态转移优先级，提出了基于有序试探的微小型壁面移动机器人着地点选择控制方法；针对机器人的动力学特性，特别是重力矩变化对机器人运动控制的影响，在采用模糊自适应PID控制的基础上，根据轨迹优化结果，引入前馈重力补偿环节，提出了基于重力补偿的微小型壁面移动机器人模糊自适应PID控制方法。通过仿真分析和实验研究，验证了所提方法在改善系统控制性能，提高机器人自主能力方面的可行性和有效性。 第五，在武警北京特警学院的反劫机训练场，对微小型壁面移动机器人的运动控制能力和越障能力进行了现场实验测试，验证了论文所提出运动规划和控制方法在实际应用中的有效性。

移动机器人运动控制研究

如果将机器人看作是一种能够扩展人类工作能力的有效工具，那么人类在认识和改造世界的过程中就不能没有机器人。移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向，因此对移动机器人运动控制的研究，一直都得到学者们的普遍关注。本文针对近年来在移动机器人运动控制方面的两大研究热点问题----非完整约束轮式移动机器人的控制问题和多机器人协调运动问题----基于仿生策略，分别进行了系统而深入的研究。前者因系统存在非完整运动约束，而使其运动控制问题具有极大的挑战性，而后者则由于问题本身的复杂性、不确定性，从而给问题的求解带来困难。主要研究结果如下：1. 针对一类非完整约束轮式移动机器人，本文从仿人驾车思想出发，提出了一种基于人工场进行导向与控制的非连续位姿镇定新方法。该方法不仅考虑到系统动力学参数变化及扰动影响，而且还兼顾实际系统速度和输出力矩的饱和限制，其扩展后的控制律既可实现平面内任意点-点镇定，还可在仅知期望位姿的情况下，实现任意轨迹和路径的跟踪。控制器不仅设计简单、鲁棒性强、收敛速度快，而且基于人工场的控制思想，对所有轮式移动机器人控制器的设计，都具有指导意义，因而具有一定的普遍性。2. 基于仿人理性决策原则，本文通过对传统遗传算法进行改造，提出进化含义更丰富、能够增强对极值搜索的进化算法----理性遗传算法。它将种群内部对知识与经验的继承和学习，更有效地结合在遗传算法之中，有效地降低了原有随机遗传操作在进化过程中存在操作错误，并很好地体现了自然进化过程中确定性与随机性对立统一的辨证思想。理论分析和仿真实验结果，验证了算法的合理性和有效性。3. 针对确知环境下的多机器人协调运动行为优化问题，本文提出基于理性遗传算法的协调运动行为合成与优化的方法。通过对算法及其实际实现效果的分析，说明理性遗传算法的应用，增加了算法的完备性，路径规划与运动合成相分离的思想，有效地降低了规划算法的时间复杂度，而神经网络函数逼近技术的应用，克服了机器人运动行为表达的困难。4. 针对不确知环境下的多机器人协调运动问题，本文基于仿生行为决策规则及仿生行为协调策略，提出一种新的多机器人协调运动行为综合算法。该算法的实现是建立在如下的认知基础之上，即生物系统的优化反应机制和运动行为的可分解性。它为此类问题的解决提供了一个新的思路。理论分析和仿真实验结果的一致性，使算法的有效性和合理性得到了证明。

两栖机器人轮桨腿驱动机构多目标优化设计

提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点.分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数.虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力。

轮桨腿一体两栖机器人爬行步态规划研究

爬行运动为轮桨腿一体两栖机器人基本运动模式之一。以机器人爬行运动为研究对象，分析了两栖机器人爬行运动机理，并建立了其典型驱动单元的运动学模型；根据机器人不同爬行运动状态，提出了基于轮桨和足板不同步态形式的运动规划策略；采用虚拟样机技术，对不同爬行状态下的步态规划效果进行了仿真试验分析和验证。试验结果表明，在规划的步态下，轮桨腿一体两栖机器人具有良好的爬行稳定性、转向机动性和越障能力。

基于实时障碍物预测的机器人运动规划

本文给出了移动机器人的虚力导航和运动规划系统．这种方法结合最小方差估计算法（ＬＭ ＳＥ）能有效地对机器人进行实时导航和避撞．在预测过程中，根据导航的不同阶段和预测误差的变化情况，采用Ｆｕｚｚｙ 规则动态地调整误差函数中的权重，使预测过程尽可能准确．导航算法的基本思想是首先通过预测算法来获得移动机器人的运动信息，然后虚力系统根据预测信息决定机器人的未来运动，仿真结果表明该方法实时性好，能准确躲避障碍物并且到达目标点

一种多移动机器人避碰规划方法

本文采用集中预规划方法 ,通过调整机器人的运动速度实现多机器人避碰 ,所提算法的基本思想为 :将机器人的运动路径分段 ,然后按避碰要求对机器人通过各段的时间进行约束 ,从而将避碰问题转化为高维线性空间的优化问题 ,并进一步将其转化为线性方程的求解 ,使问题具有明确的解析解 .由于该方法的复杂度较高 ,在实现过程中采用了多种方法降低复杂度 ,简化计算 .本文给出了该算法的基本思路 ,有关定理及证明 ,算法的化简方法 ,最后给出了实验结果及分析 .

冲压自动生产线上下料机器人示教编程方法

针对由多台机器人及多种辅助设备组成的冲压自动生产线编程量大、运动协调关系复杂、联锁信号多的特点 ,介绍一种离线规划与在线示教相结合的冲压机器人示教编程方法 ,对冲压机器人进行运动轨迹、作业内容等方面的示教 ,降低了示教内容的复杂性 ,节省了在线示教所占用的现场调试和生产时间。

多移动机器人分布式智能避撞规划系统

研究在同一工作环境中多移动机器人的运动规划问题，提出将原来比较复杂的大系统问题转化为相对简单的子系统，由各智能机器人依据任务要求和环境变化，独立调整自身运动状态，完成任务的分布式智能决策体系结构，并给出相应的模型和算法

机械手空间圆弧运动的一种有效轨迹规划方法

本文提出了机器人末端过空间三点作空间圆弧运动的一种有效轨迹规划方法，并成功地应用于我们开发的电子装配机器人中．理论分析与实验分析的结果一致

机器人力装配操作的顺应综合与实验验证

本文提出并实现了一种机器人装配顺应综合方法。装配操作过程可以表示为一列离散的几何接触状态的改变和转移。通过对不确定性下所有机器人形位进行仿真，得到每一接触形式对应的静态接触力特征。由对基本接触元的分析，求解实现接触状态转换的机器人运动方向，构成顺应的力－错误修复运动方向映射，为规划泊装配运动实现顺应。并在ＰＵＭＡ５６２机器人完成了一类简单装配实验对本文方法进行了验证。

基于专家系统的多移动机器人模糊自校正协调系统

研究多移动机器人的运动规划问题，在实时运动规划专家系统的基础上提出了一种串级模糊控制器，以校正实际工作环境下各机器人的运动状态与理想情况下可能产生的误差，使各机器人正确调整各自运动状态，达到协调工作的目的。