哈爾濱t 程人學(xué)碩十學(xué)何論文 摘要 避障路徑規(guī)劃問題是在具有障礙物的環(huán)境中，按照某個評價標(biāo)準(zhǔn)( 如最 短路徑長度、最短行進(jìn)時間、最小能量消耗等) ，規(guī)劃一條從起始點位置到達(dá) 目標(biāo)點位置最優(yōu)( 或次優(yōu)) 的無碰( 避障) 路徑。 機(jī)械臂的運動學(xué)是避障路徑規(guī)劃研究的基礎(chǔ)，本文首先建立了多關(guān)節(jié)檢 修機(jī)械臂的運動學(xué)模型。運動學(xué)逆問題的求解較為復(fù)雜，因為它實質(zhì)上是解 一個非線性方程的問題，目前尚沒有通用的解法。根據(jù)該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的冗余 度低，工作環(huán)境受限的實際情況，給出了一種簡單易行的幾何圖解法，并在 v c + + 仿真平臺下對其運動學(xué)進(jìn)行了仿真驗證。 在機(jī)械臂進(jìn)行檢修工作時，如何判斷和避免機(jī)械臂碰撞是實現(xiàn)自動作業(yè) 的前提。針對該檢修機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)及特殊的工作環(huán)境，提出了一種基于 包圍盒和等效空間圓柱體相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)包圍法，將空間局部域進(jìn)行有效分解， 通過簡單有效的幾何等效，把機(jī)械臂的碰撞檢測問題轉(zhuǎn)化為空問解析幾何問 題，大大簡化了問題的求解。 機(jī)器人無碰撞路徑規(guī)劃問題至今未能很好解決，特別是對三維空間的無 碰撞路徑規(guī)劃困難更大。由于隨機(jī)路標(biāo)法具有易實現(xiàn)、通用性好的特點，特 別是在解決多自由度機(jī)器人路徑規(guī)劃上所表現(xiàn)的有效性，近幾年引起了研究 人員的重視。本文采用一般隨機(jī)路標(biāo)法得到一個表示機(jī)械臂位形空間結(jié)構(gòu)信 息的路標(biāo)，提前檢驗各個路標(biāo)之間的連通關(guān)系得到一個路標(biāo)連通圖，當(dāng)實際 路徑規(guī)劃時，分別找到距出發(fā)點和目標(biāo)點最近的兩個路標(biāo)點，然后利用啟發(fā) 式搜索方法搜索路標(biāo)連通圖得到連接兩個路標(biāo)的路徑，從而得到需要的路徑。 在綜合分析路徑規(guī)劃研究的基礎(chǔ)上，為了提高路徑規(guī)劃的實時性，采用 基于貪婪碰撞檢測的啟發(fā)式雙向路徑搜索對機(jī)械臂運動路徑進(jìn)行實時規(guī)劃。 其具有以下特點：不需要預(yù)計算路標(biāo)圖，這樣節(jié)省了大量的預(yù)計算時間；進(jìn) 行雙向采樣，逐步增加以輸入查詢位形為根的兩棵路標(biāo)樹來建立路標(biāo)圖，兩 棵樹的交替采樣能保持兩棵樹的平衡；采用貪婪碰撞檢測，延遲碰撞檢測操 作直到完全需要檢測，可以節(jié)省規(guī)劃時間。 最后針對具體的路徑規(guī)劃問題分別進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明運用的規(guī) 哈爾濱t 稗人學(xué)碩十學(xué)何論文 = 1-| 1- - 宣 劃方法可以很好解決機(jī)械臂在工作過程中的平穩(wěn)性，以及控制時的實時性問 題。 關(guān)鍵詞：檢修機(jī)械臂：避障路徑規(guī)劃：包圍盒；兩階段法，；雙向搜索 哈爾濱7 - 1 ：1 人學(xué)碩十學(xué)付論文 a b s t r a c t a v o i d a n c eo b s t a c l ep a t hp l a n n i n gp r o b l e mi sa b l et ob es t a t e da sf o l l o w s ：i n o b s t a c l e se n v i r o n m e n t ，b a s e do nac e r t a i ne v a l u a t i o nc r i t e r i o n ( s u c ha st h es h o r t e s t l e n g t ho fp a t h ，t h es h o r t e s tt i m eo fm o v i n g ，t h em i n i m a lc o n s u m i n go fe n e r g y , a n d s o o n ) ，f r o m s t a r t p o i n t t od e s t i n a t i o n p o i n t ，p l a n s a o p t i m a l ( o r s u b - o p t i m a l ) c o l l i s i o nf r e e ( o b s t a c l ea v o i d a n c e ) p a t h k i n e m a t i c so fm a n i p u l a t o ri st h ef o u n d a t i o no fp a t hp l a n n i n gt oa v o i d o b s t a c l e ，f i r s t l y , k i n e m a t i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r , i n v e r s ek i n e m a t i c p r o b l e m - s o l v i n gi sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d ，b e c a u s ei ne s s e n c e i ti sas e t t l i n g n o n l i n e a r i t ye q u a t i o np r o b l e m ，t h e r ei sn ou n i v e r s a lm e t h o dy e t a c c o r d i n gt ot h e l o wr e d u n d a n c y ，l i m i t e dw o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h em a n i p u l a t o r , as i m p l ea n d e a s yt oa p p l ym e t h o do fa k i n do fg e o m e t r yd i a g r a mm e t h o dw h i c hi ss i m p l ea n d e a s yt oa p p l yi sg i v e n ，a n dt h es i m u l a t i o no ft h ek i n e m a t i c so ft h em a n i p u l a t o ri s v e r i f i e di nv c + + s i m u l a t i o n p l a t f o r m w h e nt h em a n i p u l a t o ri sr e p a i r i n g ，h o wt oj u d g ea n da v o i dc o l l i s i o ni st h e p r i m eo fa u t o m a t i co p e r a t i n g am e t h o dn a m e dn e t w o r kb o u n d i n gb a s e do n b o u n d i n gb o xa n de q u i v a l e n tc y l i n d e ri sp r o p o s e d ，a n dt h ea r e a st h a tm i g h t c o l l i s i o nh a sb e e ns y s t e m a t i ca n a l y s i s e d ，b yd e c o m p o s i n gs p a t i a ll o c a lf i e l d e f f e c t i v e l y , s i m p l e a n de f f e c t i v e g e o m e t r ye q u i v a l e n t ，w e t r a n s f o r m e dt h e m a n i p u l a t o r sc o l l i s i o nd e t e c t i n g t ot h es o l u t i o no fs p a c ea n a l y t i cg e o m e t r y , g r e a t l ys i m p l i f i e st h ep r o b l e m r o b o tc o l l i o n f r e e p a t hp l a n n i n gh a sn o tb e w e l l r e s o l v e du n t i ln o w , e s p e c i a l l yf o rt h er o b o tc o l l i o n f r e ep a t hp l a n n i n gi n3 ds p a c ei sm o r ed i f f i c u l t f o rp r o b a b i l i s t i cr o a d m a pm e t h o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ti se a s yt or e a l i z e ，h a s g o o dg e n e r a l i t y , e s p e c i a l l yt h ee f f e c t i v e n e s si ns o l v i n gm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m r o b o tp a t hp l a n n i n g ，i tc a u s e sr e s e a r c h e r s a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e r 哈爾濱i j 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 a d o p t sn o r m a lp r o b a b i l i s t i cr o a d m a pm e t h o dt og e tar o a d m a pw h i c he x p r e s s e s s t r u c t u r ei n f o r m a t i o ni nc o n f i g u r a t i o ns p a c e ，t e s t sc o n n e c t i v er e l a t i o nb e t w e e n e a c hm i l e s t o n ei na d v n c et og e tac o n n e c t e dr o a d m a p w h e ni na c t u a lp a t h p l a n n i n g ，a tf i r s tt of i n do u tt h en e a r e s tt w o m i l e s t o n e st ot h es t a r t i n gp o i n ta n dt h e t a r g e tp o i n t ，a n dt h e nb yt h eu s eo fh e u r i s t i cs e a r c h i n gm e t h o dt os e a r c ht h e c o n n e c t e dr o a d m a pt of i n do u tap a t hc o n n e c t e dt h et w om i l e s t o n e s ，t h a ti st h e w a n t e dp a t h b a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fp a t hp l a n n i n g ，t oi m p r o v et h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c e ，w ea d o p tb i - d i r e c t i o n a ls e a r c hb a s e do ng r e e d yc o l l i o nd e t e c t i n gt o p l a nt h em a n i p u l a t o r s m o t i o ni n r e a lt i m e t h i sm e t h o dh a st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：d on o tn e e dt oc o m p u t et h er o a d m a pi na d v a n c e ，t h u ss a v e dal o to f p r e c o m p u t a t i o nt i m e ；b i d i r e c t i o n a ls a m p l i n g ，t o e s t a b l i s ht h er o a d m a pb y g r a d u a l l yi n c r e a s e st h et w ol a n d m a r kt r e e s w h i c hr o o ta r et h ei n p u tq u e r y c o n f i g u r a t i o n s ，t h e t w ot r e e sa l t e r n a t e s a m p l i n g c a nk e e pt h et w ot r e e b a l a n c e ；g r e e d yc o l l i s i o nd e t e c t i n g ，d e l a yt h ec o l l i s i o nd e t e c t i o nu n t i ld e f i n i t e l y n e e d e d ，w h i c hc a ns a v et h ep l a n n i n gt i m e f i n a l l y ，w ec a r r y e do u ts i m u l a t e do p e r a t i o ns e p a r a t e l ya i m i n ga tt h e c o n c r e t ep a t h p l a n n i n gp r o b l e m ，t h er e s u l ts h o wt h a tt h em e t h o dw eu s e dc a nw e l l r e s o l v et h e r u n n i n gs t a b i l i t y a n dc o n t r o l l i n gr e a l t i m e q u a l i t y w h e nt h e m a n i p u l a t o rw o r k s k e yw o r d s ： r e p a i r i n gm a n i p u l a t o r ，o b s t a c l ea v o i d a n c e p a t hp l a n n i n g ， b o u n d i n gb o x ，t w o - p h a s em e t h o d ，b i d i r e c t i o n a ls e a r c h 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 由作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用 己在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對應(yīng)。除文中己注明引用的內(nèi) 容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品 成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中 以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔(dān)。 作者( 簽字) ：色衛(wèi)衛(wèi) 日期：洵哆年孑月乒日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文( 留在授予學(xué)位后即可口在授予學(xué)位1 2 個月后口 解密后) 由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。 作者( 簽字) ： 包z 2 日期：砷年刁月筍日 導(dǎo)師( 簽字) ：骸 1 - 節(jié)年弓月嚴(yán)曰 哈爾濱門辛火學(xué)碩十學(xué)何論文 第1 章緒論 1 1 課題研究的背景和意義 核電站利用核燃料發(fā)生的受控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放的能量作為熱源 發(fā)電，而常規(guī)電廠則利用化石燃料燃燒所釋放的能量作為熱源發(fā)電。反應(yīng)堆 堆芯就是放置核燃料，實現(xiàn)持續(xù)的受控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而成為不斷釋放出大量 能量的場所。它相當(dāng)于常規(guī)電廠中釋放大量熱量的鍋爐，因此又可稱核反應(yīng) 堆為核鍋爐。 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)又稱為一回路系統(tǒng)，其主要功能是把堆芯正常運行時 產(chǎn)生的熱量傳輸給蒸汽發(fā)生器( 簡稱s g ) ，將s g 二回路側(cè)的給水加熱并轉(zhuǎn) 化為驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組的飽和蒸汽。 蒸汽發(fā)生器( 簡稱s g ) 是核動力裝置中一、二回路之陽j 的連接樞紐，也是 核動力裝置運行中發(fā)生故障最多的設(shè)備之一。蒸汽發(fā)生器的故障大多是由于 各種腐蝕使傳熱管或管與管板接頭處發(fā)生泄漏，從而影響動力裝置的安全運 行。蒸汽發(fā)生器的工作性能及安全可靠性對于整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是至 關(guān)重要的。由于蒸汽發(fā)生器里面存在放射性物質(zhì)，當(dāng)發(fā)生泄漏時，人不能進(jìn) 去進(jìn)行維修，這時就需要機(jī)械臂代替人完成維修工作。 蒸汽發(fā)生器是一種熱交換器，其蒸發(fā)段主要由數(shù)千根倒置的u 形傳熱管 組成。一回路水在傳熱管內(nèi)流動，二回路給水的加熱和蒸發(fā)在傳熱管外側(cè)進(jìn) 行。u 形管在管板孔內(nèi)全脹，并與一回路側(cè)管板表面相焊接。一回路水側(cè)封 頭是一個半球形封頭( 下封頭) ，與管板相焊接，并由一塊隔板分隔為兩個水 室，每個水室有一個與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)相連接的接管和一個用于進(jìn)入檢修 的人孔。 通常，在核電站大修時，需對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行必要的檢修活動。在s g 一回路側(cè)，一般有傳熱管的渦流檢查( e t ) 、傳熱管超聲檢查( u t ) 、傳熱管 堵管、水室表面狀況的電視檢查，等等。大多數(shù)的檢修活動是遠(yuǎn)距離操控進(jìn) 行的，例如，一個機(jī)械臂通過人孔安裝于s g 水室內(nèi)，機(jī)械臂的前端攜掛不 同的檢修工具即可實施不同的檢修活動。目前一些國家已經(jīng)研發(fā)出一些用于 s g 檢修的機(jī)械手產(chǎn)品，并且在實際的s g 檢修工作中投入使用，但國內(nèi)目前 哈爾濱l 碟人半碩士學(xué)位論文 此項仍然空白。浚課題是在我們與某研究所合作，研制蒸汽發(fā)生器檢修機(jī)械 惜的科研背景下進(jìn)行的。附圖1 1 14 列出了韓國、印度、法國、美國s g 檢修機(jī)械臂的圖片，美國w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p o r a t i o n 的r o s a i l l 是一個 用于一f i 路側(cè)檢修活動的機(jī)器人，有六個關(guān)節(jié)，六軸聯(lián)動，形成三維運動軌 跡，機(jī)械臂的未端攜掛_ 丁具完成一吲路的各種檢修工作，其主要完成s g 水室 內(nèi)的管板檢修與堵管，外壁檢修和探傷等工作。 圖11 韓國原子能研究院檢修機(jī)械臂圖1 2 印度核動力公司檢修機(jī)械臂 幽1 3 法田f r a m a t o m e 公司檢修機(jī)械臂圖14 美圍西屋公司檢修機(jī)械臂 避障路徑規(guī)劃是機(jī)器人應(yīng)用葉1 的。項重要技術(shù)”。例如：在執(zhí)行裝配、焊 接及搶險救災(zāi)等任務(wù)時，采用良好的機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)可以節(jié)省大量機(jī)器 人作業(yè)的時間、減少機(jī)器人磨損，同h t 也可以節(jié)約人力資源，減小資金投入， 為機(jī)器人在多種行業(yè)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。蒸汽發(fā)7 卜囂檢修機(jī)械臂的路徑規(guī) 劃成為其經(jīng)濟(jì)、安全、高效檢修不可或缺的技術(shù)。 哈爾濱t 稃人學(xué)碩十學(xué)何論文 1 2 機(jī)器人避障路徑規(guī)劃概述 移動機(jī)械手的研究涉及到很多不同的科學(xué)領(lǐng)域，如：移動機(jī)械手的路徑 規(guī)劃、移動機(jī)械手的自主定位與導(dǎo)航技術(shù)及運動與操作之間的協(xié)調(diào)控制的理 論和方法等，這些方面已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的熱點。在我國移動機(jī) 械手目前還處于研究、跟蹤和試驗階段。從目前情況看，其主要原因是：在 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動載體和其上的多自由度機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制技術(shù)一直未能 很好地解決，移動機(jī)械手的協(xié)調(diào)與控制機(jī)理和耦合機(jī)制還有待揭示，這也是 移動機(jī)械手應(yīng)用所面臨的困難和挑戰(zhàn)所在。 1 2 1 避障路徑規(guī)劃的定義 蔣新松為規(guī)劃路徑作出了這樣定義：路徑規(guī)劃是自治式移動機(jī)器人的一 個重要組成部分，它的任務(wù)就是在具有障礙物的環(huán)境內(nèi)，按照一定的評價標(biāo) 準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)，包括位置和姿態(tài)，到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)位置和姿態(tài)的無 碰路徑。障礙物在環(huán)境中的不同分布情況當(dāng)然直接影響到規(guī)劃的路徑，而目 標(biāo)位置的確定則是有更高一級的任務(wù)分解模塊提供的。 避障路徑規(guī)劃典型的描述是：避障路徑規(guī)劃是在具有障礙物的環(huán)境中， 按照某個評價標(biāo)準(zhǔn)( 如最短路徑長度、最短行進(jìn)時間、最小能量消耗等) ，規(guī) 劃一條從起始點位置到達(dá)目標(biāo)點位置最優(yōu)( 或次優(yōu)) 的無碰( 避障) 路徑 ：1 1 3 1 。 在此，“規(guī)劃”的含義實際上是直觀的求解帶約束的幾何問題，而不是操作序 列或行為步驟。另一方面，如果把運動物體看作是所研究問題的某種狀態(tài)， 把障礙物看作是問題的約束條件，而無碰撞路徑則為滿足約束條件的解，那 么，空間路徑規(guī)劃就是一種多約束的問題求解過程。 從數(shù)學(xué)角度看，避障路徑規(guī)劃問題可以表達(dá)為求解某個目標(biāo)函數(shù)極值問 題：目標(biāo)函數(shù)就是所規(guī)劃路徑的成本；約束條件是避免與障礙物相碰撞，其 數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為如下形式： m i n f ( x ) x r 。g ，( z ) 島f = 1 , 2 ，p f 1 1 、 其中：f ( x ) 為目標(biāo)函數(shù)，g ，( x ) 是( 非線性) 約束條件，p 代表約束不 等式個數(shù)【4 】。 在這里需要指出路徑規(guī)戈l j ( p a t hp l a n n i n g ) 、軌跡規(guī)劃( t r a j e c t o r yp l a n n i n g ) 和軌跡跟蹤( t r a j e c t o r yt r a c k i n g ) 是有區(qū)別的。 3 哈爾濱t 稃人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 路徑只是指空間的曲線，而不包含時間的概念，對于機(jī)器人來說，定義 為機(jī)器人位形的一個特定序列，而不考慮機(jī)器人位形的時間因素。一個點在 空間移動，它所通過的全部路徑叫做這個點的軌跡。 路徑規(guī)劃沒有考慮系統(tǒng)的動力學(xué)，它作為一個幾何問題，主要是對算法 的研究；軌跡規(guī)劃是給定機(jī)器人末端執(zhí)行器的跟蹤路徑及描述機(jī)器人動力學(xué) 和描述力矩約束的微分方程，規(guī)劃出機(jī)器人運動過程中的位置、速度及加速 度，以使得某個目標(biāo)最優(yōu)。動力學(xué)問題是軌跡規(guī)劃主要考慮的問題，軌跡規(guī) 劃的結(jié)果作為軌跡跟蹤的輸入，機(jī)器人控制器必須保證機(jī)器人精確跟蹤已規(guī) 劃出的軌跡【，1 。 1 2 2 避障路徑規(guī)劃問題的分類 據(jù)對環(huán)境的了解情況，路徑規(guī)劃可以劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī) 劃。其中，全局路徑規(guī)劃需要知道關(guān)于環(huán)境的所有信息，根據(jù)環(huán)境地圖進(jìn)行 大粒度的路徑規(guī)劃，并產(chǎn)生一系列關(guān)鍵點作為子目標(biāo)點下達(dá)給局部路徑規(guī)劃 系統(tǒng)。而局部路徑規(guī)劃則只需要知道距離機(jī)器人較近的障礙物信息。機(jī)器人 行走過程中，根據(jù)傳感器的信息來不斷地更新其內(nèi)部的環(huán)境表示，從而確定 出機(jī)器人在地圖中的當(dāng)前位置及周圍局部范圍內(nèi)的障礙物分布情況，并在此 基礎(chǔ)上，規(guī)劃出一條從起點或某一子目標(biāo)點的優(yōu)選路徑。但局部路徑規(guī)劃只 適合于起終點相距較近的情況，可以看作是全局路徑規(guī)劃在機(jī)器人實時行走 過程中的一個補(bǔ)充。如果從靜態(tài)或動態(tài)地獲取障礙物信息角度看，全局路徑 規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃，而局部路徑規(guī)劃則是動態(tài)規(guī)劃1 6 1 1 7 1 。 另外，根據(jù)完整性還可以把路徑規(guī)劃算法分為確定型和啟發(fā)型兩類。確 定型算法可以找到一個問題的答案，除非它證明問題無解。啟發(fā)型算法致力 于在較短的時問內(nèi)找出問題的答案，它可能無法解決較困難的問題或無法給 出一個問題的最優(yōu)解。 1 2 3 避障路徑規(guī)劃問題的環(huán)節(jié)及特點 路徑規(guī)劃的主要環(huán)節(jié)包括環(huán)境建模、路徑搜索及生成、路徑優(yōu)化或平滑。 在機(jī)器人規(guī)劃自礦，即研究如何將環(huán)境信息有效地表達(dá)出來，它首先要做的就 是，將機(jī)器人活動空1 8 j 的描述由外部的原始形式通過一系列處理轉(zhuǎn)化為適合 4 哈爾濱t 稗人學(xué)碩十學(xué)何論文 規(guī)劃的內(nèi)部模型，這個過程我們稱為環(huán)境建模，其中主要是障礙物的表示方 法。簡單地說，就是要將物理上的境描述為計算機(jī)可以識別的形式。合理的 環(huán)境表示有利于減少規(guī)劃中的搜索量及時空開銷。不同的規(guī)劃方法正是基于 不同的環(huán)境建模基礎(chǔ)之上的。路徑搜索算法負(fù)責(zé)從環(huán)境模型中搜索出路徑的 可行空間，而且，一般都與建模方法有關(guān)。路徑生成則是從搜索到的路徑可 行空間中生成一條可行路徑。路徑優(yōu)化是在考慮智能機(jī)器人自身動力學(xué)特性 的基礎(chǔ)上，為了讓路徑更有利于機(jī)器人的執(zhí)行而對路徑進(jìn)行的平滑。 路徑規(guī)劃屬于組合優(yōu)化的范疇。在一定的環(huán)境表達(dá)和規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上， 僅從路徑搜索策略上來分析，可將搜索策略區(qū)分為三大類。第一類是局部優(yōu) 化算法，它的做法是犧牲解的搜索空間來獲取解的搜索時間，典型的方法有： 最速下降法、部分貪婪算法( 如凸點法s 】) 等；第二類是全局優(yōu)化算法，它 以獲取全局最優(yōu)解為目的，主要的算法有【9 1 ：單源最短路徑的d i j k s t r a 算法、 任意兩點問最短路徑的f l o y e d 動態(tài)規(guī)劃算法、a 宰搜索算法等；最后一類是 計算智能方法忡1 1 l 。 避障路徑規(guī)劃問題具有如下特點： 1 、復(fù)雜性。在復(fù)雜環(huán)境尤其是動態(tài)時變環(huán)境中，避障路徑規(guī)劃問題非常 復(fù)雜，且需要很大的計算量。 2 、隨機(jī)性。復(fù)雜環(huán)境的變化往往存在很多隨機(jī)性和不確定因素。動態(tài)障 礙物的出現(xiàn)也帶有隨機(jī)性。 3 、多約束。運動對象存在幾何約束和物理約束。幾何約束指的是運動對 象的形狀制約，而物理約束是指運動對象的速度和加速度。 4 、多目標(biāo)。運動對象在運動過程中路徑性能要求存在多種目標(biāo)，如路徑 最短、時間最優(yōu)、安全性能最好以及能源消耗最小等。但諸目標(biāo)之間往往存 在沖突。 因此避障路徑規(guī)劃問題是動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化問題。 1 2 4 避障路徑規(guī)劃的方法 狹窄空間內(nèi)對機(jī)械臂進(jìn)行避障前提下的路徑規(guī)劃是相當(dāng)困難的。目前， 機(jī)器人運動規(guī)劃可以分為兩類：全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。 全局路徑規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個從起始作業(yè)點 哈爾濱t 稃人學(xué)碩十學(xué)何論文 開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點，到達(dá)目標(biāo)點的最優(yōu)工作序列。規(guī)劃路徑的精確程 度取決于獲取環(huán)境信息的準(zhǔn)確程度。全局路徑規(guī)劃方法通?？梢詫ふ易顑?yōu)解， 但需要預(yù)先知道準(zhǔn)確的全局環(huán)境信息。通常該方法計算量大，實時性差，不 能較好地適應(yīng)動態(tài)非確定環(huán)境?；诃h(huán)境建模的全局路徑規(guī)劃的方法主要有 自由空間法n 引、構(gòu)型空間法、拓?fù)浞?1 3 1 1 4 1 和柵格法i t s 等。 局部路徑規(guī)劃指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī) 器人運動路徑。路徑規(guī)劃是機(jī)器人的核心技術(shù)之一，規(guī)劃功能的強(qiáng)弱反映了 機(jī)器人的智能水平。全局路徑規(guī)劃根據(jù)環(huán)境地圖進(jìn)行，通過全局規(guī)劃產(chǎn)生一 系列關(guān)鍵點作為子目標(biāo)點下達(dá)給局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)。局部路徑規(guī)劃是以全局 路徑規(guī)劃為指導(dǎo)，把全局路徑規(guī)劃得到的一系列路徑關(guān)鍵點作為系統(tǒng)子目標(biāo)， 根據(jù)傳感器信息確定機(jī)器人在環(huán)境中的當(dāng)前位置及周圍局部范圍內(nèi)的障礙物 分稀情況，然后實時規(guī)劃出一條從起點或某一子目標(biāo)點到下一子目標(biāo)點或終 點的最優(yōu)路徑，并實時避丌出現(xiàn)的未知的障礙物。 與全局規(guī)劃方法相比，局部規(guī)劃更具實時性和實用性，對動態(tài)環(huán)境具有 較強(qiáng)適應(yīng)能力其缺點是由于僅依靠局部信息，有時會產(chǎn)生局部極值點或振蕩， 無法保證機(jī)器人能順利地到達(dá)目標(biāo)點。這類方法包括人工勢場法閘、遺傳算 法i 6 h 捌、模糊邏輯算、法【z 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法1 2 2 、蟻群算法、粒子群算法、路標(biāo) 法等。 高維位形空間中的完整路徑規(guī)劃促使研究人員采用啟發(fā)式方法來弱化其 完整性，或者部分采用特殊的方法來提升在這些方面的性能。 近年來，利用人工勢場法得到了一些重要的結(jié)果。這些方法主要缺點是 容易陷入局部最小值。很難擺脫這些最小值。局部最小值的勢函數(shù)在例【：s 】 義了。在高維空間中計算這些勢函數(shù)很耗時，并且很難應(yīng)用到多自由度的情 況。 文獻(xiàn) 2 6 中講述了單點隨機(jī)規(guī)劃器，在 2 7 中擴(kuò)展為一種學(xué)習(xí)方法。這 些文章的重點放在自由度較少的情況上。相似的技術(shù)應(yīng)用在了可以前后移動 和只可以向前移動的車型機(jī)器人上t 2 s l 2 9 1 。在 3 0 中該技術(shù)被擴(kuò)展為多個機(jī)器 人的運動協(xié)調(diào)。文獻(xiàn) 3 1 中對學(xué)習(xí)階段也獨自進(jìn)行了相似的處理。也在自由 空間中建立了概率路標(biāo)圖，但主要針對多自由度問題。強(qiáng)調(diào)了在自由空間中 “難點”區(qū)域擴(kuò)展的必要。文獻(xiàn) 3 2 中介紹了更好的擴(kuò)展技術(shù)。該方法在 3 3 6 哈爾濱廠稗火學(xué)碩十學(xué)何論文 中進(jìn)行了詳細(xì)的描述，文獻(xiàn) 3 4 對使用該規(guī)劃器的時間消耗進(jìn)行了理論分析。 本文對之前的方法進(jìn)行了有效的整合，提出了兩種效能不同的路徑規(guī)劃方法。 1 3 本論文所研究的目標(biāo)和內(nèi)容 1 3 1 本論文研究的目標(biāo) 狹窄空間內(nèi)多關(guān)節(jié)檢修機(jī)械臂的避障路徑規(guī)劃。s g 機(jī)械臂的工作空間一 般較為狹窄，但是其較大的關(guān)節(jié)力矩要求限制了機(jī)械臂尺寸無法進(jìn)一步縮小， 而且機(jī)械臂結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)械臂的碰撞約束非常復(fù)雜，從而使得機(jī)械 臂在s g 內(nèi)進(jìn)行無碰撞自動路徑規(guī)劃變得相當(dāng)困難，既要考慮機(jī)械臂與周圍 環(huán)境的避碰，還要考慮其自身關(guān)節(jié)及檢修工具之間的碰撞，美國r o s a i i i 機(jī)械臂的控制系統(tǒng)目前該功能尚不完善。 本課題以六自由度蒸汽發(fā)生器檢修機(jī)械臂為例，提出在狹小空間內(nèi)進(jìn)行 工作并且避免碰撞的路徑規(guī)劃方法。并通過仿真比較，選出一種適合于蒸汽 發(fā)生器檢修機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法。本課題的路徑規(guī)劃主要是在關(guān)節(jié)空間中， 根掘檢修機(jī)械臂運動周圍環(huán)境和自身約束及可實現(xiàn)性的要求來進(jìn)行規(guī)劃，預(yù) 解決在機(jī)器人操作空間路徑規(guī)劃時，運動的平穩(wěn)性以及實時性和精確性的矛 盾，并要完成避碰檢測。 1 3 2 本論文主要內(nèi)容 路徑規(guī)劃問題涉及環(huán)境表達(dá)、規(guī)劃方法和路徑搜索策略。環(huán)境表達(dá)研究 如何將環(huán)境信息有效地表達(dá)出來；規(guī)劃方法關(guān)心的是在環(huán)境表達(dá)的基礎(chǔ)上而 進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型的抽象；路徑搜索策略指的是求解路徑函數(shù)的方法技術(shù)。 ( 1 ) 六自由度機(jī)械臂運動學(xué)模型的建立 由于路徑規(guī)劃是建立在機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)上的，所以有必要先 對該檢修機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。文中首先給出了機(jī)械臂的d h 描述，在此基 礎(chǔ)上建立了機(jī)械臂的j 下逆運動學(xué)方程，并在v c + + 仿真平臺下對運動學(xué)求解 進(jìn)行了仿真。 ( 2 ) 狹窄空間機(jī)械臂動念碰撞檢測的完成 由于機(jī)械臂的造價比較昂貴，為保障機(jī)械臂檢修工作的安全進(jìn)行，針對 其具體結(jié)構(gòu)及工作環(huán)境設(shè)計碰撞檢測算法。 7 哈爾濱t 稗人學(xué)碩十學(xué)何論文 ( 3 ) 路徑規(guī)劃的實現(xiàn)方法 路徑規(guī)劃是屬于機(jī)器人規(guī)劃的底層規(guī)劃，是指移動機(jī)器人按照某一性能 指標(biāo)( 如距離、時間、能量等) 搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu) 路徑。 由于本機(jī)械臂路徑規(guī)劃的約束條件較多，要避免其與周圍水室、管板面、 擋板面、自身各關(guān)節(jié)及檢修工具的碰撞，另外不是水室各個位置均可以達(dá)到， 所以還涉及到其自身六個關(guān)節(jié)的可實現(xiàn)性問題，以上兩點成為路徑規(guī)劃的難 點。 面對一個具體的路徑規(guī)劃，首先考慮存在哪些約束，論文把它們劃分成 四大類：有障礙物和有路徑約束；有障礙物和無路徑約束；無障礙物和有路 徑約束；無障礙物和無路徑約束。由于實際中，機(jī)械臂工作環(huán)境的復(fù)雜性， 本文重點放在有障礙約束和無路徑約束上，即考慮有障礙約束的路徑規(guī)劃問 題。其次，要考慮路徑規(guī)劃的可實現(xiàn)性。由于該機(jī)械臂由六個關(guān)節(jié)構(gòu)成，涉 及到規(guī)劃路徑的可實現(xiàn)性問題，即要判斷規(guī)劃的路徑能否通過正反解算法轉(zhuǎn) 化成機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，達(dá)到預(yù)期的位置。參考相關(guān)機(jī)械臂或機(jī)器人路徑 規(guī)劃方法，并針對本機(jī)械臂在考慮以上兩個基本要素情況下完成對路徑的規(guī) 劃。 ( 4 ) 路徑規(guī)劃的模擬實現(xiàn)平臺 用c 語言編寫程序，在v c + + 仿真平臺下模擬路徑規(guī)劃的執(zhí)行過程，通 過建立的三維運動模型實時仿真，觀察并分析路徑規(guī)劃的可行性與正確性。 8 第2 章狹窄空間機(jī)械臂運動學(xué)建模 機(jī)械臀的路徑規(guī)劃榭于機(jī)械臂低層規(guī)劃，是在機(jī)械臂運動學(xué)的基礎(chǔ)上t 研究在關(guān)節(jié)空| 1 i j 和筒 兒空問中機(jī)械臂運動的路徑規(guī)劃和路徑生成及優(yōu)化方 法。山f 它的基礎(chǔ)足機(jī)械臂的運動學(xué)，所以有必要首先建立人關(guān)節(jié)檢修機(jī)械 惜的運動學(xué)模型。 2 1 機(jī)械臂的d h 描述 本文在這艱，將要對用于蒸汽發(fā)生器檢修的機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)分析建模， 并把它作為后面仿真分析的模型。罔2 i 中四幅罔給出了機(jī)械臂檢修過程中 4 i 同位置的實物圖，圖2 】( a ) 為機(jī)械臂進(jìn)行檢修工作6 日抓頂位置的圖片， 圖2 i ( b ) 為安裝檢修工具后的檢修圖，圖2 1 ( c ) 為機(jī)械臂堵管前六關(guān)節(jié) 及工具頭位置圖，圖21 ( d ) 為完整的( 攜掛工具的) 機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。 圖2 i ( a ) 機(jī)械臂抓頂圖 圈2 i ( b ) 攜掛工具檢修幽 i 翱21 ( c ) 機(jī)械臂堵管罔圖2 1 ( d ) 攜掛工具的機(jī)械臂本體陶 潑機(jī)械臂共包含六個關(guān)節(jié)，全部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。圖2 2 為與圖2i ( d ) 相 對應(yīng)的檢修機(jī)械臂的i 維效果圖，也是機(jī)械臂工作過程的零位圖。工作過程 一至六關(guān)常的初始轉(zhuǎn)角為( o 。，9 0 。，0 。，0 。，9 0 。，鞏) ，其中韓視安 裝工具時工具的偏心角而定。 幽2 2 機(jī)械臂j 維效果罔 設(shè)g 位于基坐標(biāo)系原點，a 位于術(shù)端坐標(biāo)系( 工具坐標(biāo)系) 原點，a 個 關(guān)節(jié)中心分別位于b ，c ，d ，e ，f ，g 處，由于工作需要，該機(jī)械臂使用偏心工具， 使得l 具未端位件 點偏離原工具中心a 點，為方便分析問題，我們將最后 一個關(guān)節(jié)( b ) 坐標(biāo)系的原點置于a 點處，先解算到a 點再向 點進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 平移變換，設(shè)機(jī)械惜各關(guān)節(jié)長為l g ，l l ，l 肼。，工具偏心尺寸為 l ，變換關(guān)系如卜： l d ，pl 。，、 哈爾濱- v 1 大學(xué)碩十學(xué)何論文 繞z 轉(zhuǎn)吃 g 卜 繞z 轉(zhuǎn)以 - m 2m 3 繞x 轉(zhuǎn)秒。沿y 平移冊+ l 擾 2 ，、 m 5m 6 沿y 平移厶月+ 刪 沿z 平移。 - e m 4 竺蘭莖壘竺蘭竺b- - 。 繞y 轉(zhuǎn)吼 a ， m 9m l o m 7m 8 翌蘭蘭蘭蘭! a m l l 由于機(jī)械臂的具體工作需要，使得機(jī)械臂工具的木端安裝偏心工具，而 且工作時，末端姿態(tài)三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中有一個關(guān)節(jié)( 工具繞自身軸的旋轉(zhuǎn)) 可 任意，么點為不考慮工具偏心的機(jī)械臂末端點，由于4 點的位置與最后一個 關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度吼無關(guān)，所以如果我們先不考慮工具偏，t s , ，此時機(jī)械臂只有 五個待求關(guān)節(jié)角度，且工作空閫有五個限定自由度，成為非冗余機(jī)械臂問題。 表2 1 機(jī)械臂連桿參數(shù) ) l 口，一ia i i d j9 i 1ooo 銘 20 l o pl f e郎一9 0 。 3 9 0 。 0 09e 一9 0 4 9 0 。 0 l e d 七l i e ) 59 0 。00良 6 9 0 。 0 l c b + l 咐9 8 當(dāng)各連桿參數(shù)確定以后，我們便可以直接寫出相鄰兩坐標(biāo)系問的變換矩 哈爾濱t 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 i l i ii l li 宣j 宣宣i ；i i 暑宣暑宣i 宣j 宣萱 i c o s a , 一s i na i0 ：一丁= 聲i s i n o , ，c 咖o s a , ，i 篡器乏- 瞄s i n 掣a _ f _ 1 0 0 0 我們有 ：t = ；t = ：丁= lc o s ( a , j ) 一s i n ( ) 0 0 is i n ( a c ；)c o s ( a g ) 0 0 l - 。0 。0 三? s i n ( a e )c o s ( 以) 0 0i oo10i c o s ( a e ) 一s i n ( a e ) 0 01 000 1 j c o s ( a ( _ ) 一s i n ( a c ，) 0 0 oo10l s i n ( o , ) 一c o s ( a , ，) 0 0 0001 l 黔r n 0 車l c o s 紼) 一s i n ( a 。) 0 0 ；丁= js ；巍，c 。巍，苫一k l 000 1 | - c o s 怫) 一s i n ( a b ) 0 0 。 弘b 巍，1 1 一 其中m 。= ? 丁，m 3 = ：丁，m ，= ；丁，m ，= ；r ，m 8 = ：丁，m 。= ：r ， m ，= 10 01 0 o o 0 ；三爹i ， ，。：i 壹0 三；上曼i ， 彳。：l 壹 1oi 川2 卜ol 三阿i ，眠2k 01l 00 01l10 m 9 = 10 00 0 1 0 t 三( 坷+ t 0 0 00001 三朋i m 2 1i l 10 ol 0 0 0 0三0 引 依次連乘各個相鄰坐標(biāo)系間的變換陣，便可以得到機(jī)械臂木端工具坐標(biāo) 系到基坐標(biāo)系j 瑚的變換關(guān)系，設(shè)g 點齊次坐標(biāo)為p ，則可以得到a 點坐標(biāo) m - 鴆塢托鳩餼m ，鴆鳩m 。m 。尸，由此可見，若已知各關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)角即可以很方便地求解該機(jī)械臂的運動學(xué)正解問題。 1 2 弼諺， h暉u徹螂。 。m儺 一 c 哈爾濱?。喝喝藢W(xué)碩十學(xué)俜論文 ei l i ；i 宣i 宣i i 2 2 檢修機(jī)械臂正運動學(xué)方程的建立 我們已經(jīng)推導(dǎo)機(jī)械臂各連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣，下面將在此基礎(chǔ)上給 出機(jī)械臂運動學(xué)方程： 丁= ( ：丁薌薌7 薌= ( 2 2 ) 在此，t 代表機(jī)械臂的末端連桿位姿矩陣，該矩陣可由指定的1 6 個元素 的數(shù)值決定。在這1 6 個元素中，只有1 2 個元素有實際含義。底行由3 個0 和一個1 組成。左列矢量刀是第二列矢量0 和第三列矢量p 的差乘。其中各 個坐標(biāo)系間的變換陣及桿長參數(shù)在前面已經(jīng)給出，直接帶入( 2 2 ) 有 r l ，= ( ( ( c 6 木s 5 + s 6 木c 5 ) 奉s 4 幸c 3 + ( c 6 c 5 一s 6 木s 5 ) s 3 ) 牛c 2 + ( c 6 木s 5 + s 6 棗c 5 ) 幸c 4 掌s 2 ) 木c l + ( - ( c 6 奎s 5 + s 6 木c 5 ) 幸s 4 木s 3 + ( 2 - 3 ) ( c 6 木c 5 s 6 母s 5 1 奉c 3 ) 木s 1 0 ，= - ( ( ( c 6 宰s 5 + s 6 棗c 5 ) 宰s 4 幸c 3 + ( c 6 幸c 5 - s 6 幸s 5 ) 章s 3 ) 幸c 2 + ( c 6 木s 5 + s 6 木c 5 ) 毒c 4 宰s 2 ) 木s l + ( - ( c 6 木s 5 + s 6 棗c 5 ) 宰s 4 宰s 3 + ( 2 - 4 ) ( c 6 幸c 5 - s 6 宰s 5 ) 幸c 3 ) 棗c 1 q = ( ( c 伊s 5 + s 6 宰c 5 ) * s 4 搴c 3 + ( c 6 c 5 一s 6 棗s 5 蘆s 3 ) 毒s 2 - ( c 伊s 5 + s 6 章c 5 ) * c 4 c 2 ( 2 。5 ) p ，= l o 木( ( ( c 6 木s 5 + s 6 幸c 5 ) 奎s 4 c 3 + ( c 6 幸c 5 - s 6 s 5 ) s 3 ) c 2 + ( c 6 幸s 5 + s 6 乖c 5 ) c 4 幸s 2 + 3 2 0 ( - ( c 6 幸s 5 + s 6 c 5 ) s 4 s 3 + ( c 6 堆c 5 s 6 奉s 5 ) c 3 + 1 5 1 5 0 0 ( ( c 6 s 5 + s 6 乖c 5 ) 木$ 4 * c 3 + ( 2 - 6 ) ( c 6 幸c 5 一s 6 木s 5 ) 奎s 3 - i - ( c 6 宰s 5 + s 6 木c 5 ) c 4 奉c 2 奉( 一l i - l 2 ) - ( c 6 掌s 5 - i - s 6 棗c 5 1 幸c 4 l 3 - ( c 6 幸s 5 + s 6 木c 5 ) c 4 木l 4 + c 6 l 6 以。= ( ( ( s 6 搴$ 5 - c 6 宰c 5 ) 木s 4 棗c 3 + ( c 6 宰s 5 + s 6 宰c 5 ) 宰s 3 ) 幸c 2 + ( s 6 木s 5 一c 6 宰c 5 ) 木c 4 木s 2 ) 搴c l + ( - ( s 6 宰s 5 - c 6 + c 5 ) 幸s 4 乖s 3 + ( 2 7 ) ( c 6 s 5 + s 6 宰c 5 ) 木c 3 ) 幸s 1 1 3 1，j 了 y z p p p j y z )q o j y工)q 巴o以b 他0 哈爾濱t 稃人學(xué)碩+ 學(xué)何論文 0 y = - ( ( ( s 6 水s 5 - c 6 母c 5 ) 奎s 4 宰c 3 + ( c 6 曩s 5 + s 6 c 5 ) 木s 3 ) 唪c 2 + ( s 6 s 5 - c 6 宰c 5 ) c 4 木s 2 ) 宰s 1 + ( - ( s 6 木s 5 - c 6 c 5 ) 奉s 4 s 3 + ( 2 8 ) ( c 6 奎s 5 + s 6 棗c 5 ) 棗c 3 ) 宰c 1 ， 口，= ( ( s 伊s 5 - c 6 木c 5 廣s 4 + c 3 + ( c 伊s 5 + s 6 i c 5 戶s 3 廣s 2 - ( s 6 * s 5 一c 6 術(shù)c 5 廣c 4 c 2 ( 2 - 9 ) p 。= l o 宰( ( ( s 6 奉s 5 一c 6 木c 5 ) s 4 掌c 3 + ( c 6 毒s 5 + s 6 幸c 5 ) 宰s 3 ) 幸c 2 + ( s 6 木s 5 c 6 幸c 5 ) 母c 4 s 2 ) 宰c 1 + 3 2 0 * ( ( s 6 木s 5 c 6 c 5 ) 幸s 4 水s