机械臂动力学与控制的研究dgfx.docx

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1、毕业论文文（设计计）外文翻译译题 目机机械臂动动力学与与控制的的研究系部名称称：机械工工程系专业班班级：机机自学生姓名名：学 号：指导教师师：教师师职称：20111年033月200日20099年IEEEE国国际机器器人和自自动化会会议神户国际际会议中中心日本神户户12-17,20009机械臂动动力学与与控制的的研究拉斯彼得得Elllekiildee摘要操作器和和移动平平台的组组合提供供了一种种可用于于广泛应应用程序序高效灵灵活的操操作系统统,特别别是在服服务性机机器人领领域。在在机械臂臂众多挑战战中其中中之一是是确保机机器人在在潜在的的动态环环境中安安全工作作控制系系统的设设计。在在本文中中,

2、我们们将介绍绍移动机机械臂用用动力学学系统方方法被控控制的使使用方法法。该方方法是一一种二级级方法, 是使使用竞争争动力学学对于统统筹协调调优化移移动平台台以及较较低层次次的融合合避障和和目标捕捕获行为为的方法法。I介绍在过去的的几十年年里大多多数机器器人的研研究主要要关注在在移动平平台或操操作系统统，并且且在这两两个领域域取得了了许多可可喜的成成绩。今今天的新新挑战之之一是将将这两个个领域组组合在一一起形成成具有高高效移动动和有能能力操作作环境的的系统。特特别是服服务性机机器人将将会在这这一方面面系统需需求的增增加。 大多数数西方国国家的人人口统计计数量显显示需要要照顾的的老人在在不断增增加

3、,尽尽管将有有很少的的工作实实际的支支持他们们。这就就需要增增强服务务业的自自动化程程度，因因此机器器人能够够在室内内动态环环境中安安全的工工作是最最基本的的。图、1 一台由由赛格威威RMPP2000和轻重重量型库库卡机器器人组成成的平台台这项工作作平台用用于如图图1所示示,是由由一个SSegwway与与一家机机器人制制造商制制造的RRMP2200轻轻机器人人。其有有一个相相对较小小的轨迹迹和高机机动性能能的平台台使它适适应在室室内环境境移动。库库卡工业业机器人人具有较较长的长长臂和高高有效载载荷比自自身的重重量,从从而使其其适合移移动操作作。当控制移移动机械械臂系统统时,有一一个选择择是是否

4、否考虑一一个或两两个系统统的实体体。在参参考文献献1和22中是是根据雅雅可比理理论将机机械手末末端和移移动平台台结合在在一起形形成一个个单一的的控制系系统。另另一方面面,这项项研究发发表在3和和4,认为为它们在在设计时时是独立立的实体体,但不不包括两两者之间间的限制制条件,如延伸伸能力和和稳定性性。这种控制制系统的的提出是是基于动动态系统统方法5,6。它分分为两个个层次，其中我们在较低的水平，并考虑到移动平台作为两个独立的实体，然后再以安全的方式结合在上层操纵者。在本文中主要的研究目的是展现动力系统方法可以应用于移动机械臂和使用各级协调行为的控制。本文剩下下的安排排如下。第第二部分分介绍系系统

5、的总总体结构构设计,其次是是机械手手末端移移动平台台的控制制在第三三第四部部分讲述述。在第第五部分分我们在在结束本本文之前前将显示示一些实验验。然而而, 首首先与动力学学系统有有关工作作总结与与方法将将在在部部分I-A提供供。A.相关关工作动力学系系统接近近5， 6为为控制机机器人提提供一套套动作的框架，例例如障碍碍退避和和目标捕捕捉。 每个动动作通过过一套一一个非线线性动力力学系统统的atttraactoors和和reppelllorss来完成成。 这这些通过过向量场场的简单单的加法法被结合合在一起起来完成成系统的整整体动作作。动力力系统的的方法涉涉及到更更广泛的的应用势势场法7，但但具有一

6、一定的优优势。这这里势场场法的行行为是由后场梯梯度形成成的结果果，行为为变量，如如航向和和速度，可可直接运运用动力力系统控控制的方方法。成本相对对较低的的计算与与方法有有关，使使得它在在动态环环境中在在线控制制适宜，允允许它即即使在相相当低的的水平有有限的计计算能力力平台8实实施。传传感器的的鲁棒性性在人声嘈嘈杂中显显示99和10其中一一个是由由红外传传感器和和麦克风风的结合合，当避障和和目标获获取时使用。尽尽管能解解决各种种各样的的任务，但但它仅是一个个局部的的方法，为为了其他他的任务务和使命命级计划划(即参参见111)其他的的方法应应该被采采用。当多行为为被结合合时，在在5和 66的缺缺点

7、是由由潜在的的假的因因子引起起的。为为了克服服这个问问题112介介绍了一一种基于于竞争动动态的行行为比重重。每个个行为的的影响是是控制使使用一个个相关的的竞争优优势，再再加上定定义的行行为之间间有竞争争力的相相互作用用，控制制重物。如果所所有的行行为之间间的竞争争性相互互作用是是必需的，这种方方法可以以推广到到任意数数n，行行为，除除了这样样一个最最坏情况况的复杂度。在现实世世界中使使用这种种方法的的竞争态态势室内内实验中中可以找找到113，14。 13是只在有标题题方向的的车辆上上使用，而而在114中中航向和和速度均均得到控控制。 155提供供了一个个为速度性能能简短的的策略讨讨论。在166

8、中提提到动力力系统的的方法不不仅被用用于平面面移动机机器人，同同时也可可以作为为控制机机械手工工具。另外运运用产生生极限环环Hoppf振荡荡器动力力系统的的更复杂杂的动力力系统也也可被使用。 177展现现出不同同形状的的极限环环是如何何产生的的，其可运运用于避避障轨迹迹的生成成。 18中介绍绍到使用用Hoppf振荡荡器产生生一个定定时的轨轨迹，实实现了机机械手可可以接住从桌桌子上面面滚下来来的球。动动力系统统的方法法不仅可可以用于于控制的的工具，也也可以控制制7自由由度机械械手多余余的动作作这一点点在119中中得到论论证。II.总总体结构构我们整个个系统的的整体架架构如图图2所示示。在赛格威威

9、平台中中为了控控制移动动平台，两两个低级级别的性性能被使使用：一一个用于于目标捕捕获和另另一个是是避障。运运用竞争争动态的的动作被被混合在在一起是是为了做做出移动动平台希希望得到到的指定定的移动动动作。同同样，在在竞争态态势的基基础上目目标捕获获和机械械手避障障行为的的融合给给机器人人收缩下下达指令令。当目目标不在在范围内内，应收收回机械械手到一一个安全全的位置置，这是是机械手手缩回行行为的目目的。最最后融合合是以一一个安全全的方式式把所有有的控制制结合在在一起，这这样一来来目标捕捕获和收收回行为为不互相相干扰，另另外移动动平台在在不开始始朝着新新的目标标之前，移移动机械械手已被被收回。图.2

10、. 控制制系统的的体系结结构用、和分分别代表表机械手手移动、机械手手捕获和机机械手收收缩行为为的影响响，控制制信号和和通过（11）（22）移动动平台和和机械手手。（1）(2)其中（）是指控制制输入信信号以控控制在第第三节中中描述的的平台的的左，右右侧车轮轮；和是在第四四节描述述的机械械手关节节速度。A.竞争争动态这种竞争争态势采采用的方方法是以以122为基基础的，除了附附加参数数用于控控制在14中的转换换率。动动力系统统采用（33）因此此给予：（3）其中是bb和r竞争优优势产生生的参数数，b是和b相相互竞争争作用的的参数。1）移动动：在移移动平台台远离目目标时它它的竞争争优势应应该被加加强；当

11、当目标被被捕获时时移动平平台的竞竞争优势势应该被被降低。这是通过（4）实现的。（4）其中，决决定如何何迅速的的改变这种种优势，是指到目标标的距离离和是指移动动平台移移动目标标所需的的最小距距离。移动的行行为，没没有能力力进行互互动，并并抑制其其他行为为，因此此它的竞竞争性相相互作用用被设置置为0。2）机械械手捕获获目标：当移动动平台接接近他的的目标时时，机械械手捕获获目标的的动作应应该别加加强。这这样的竞竞争优势势将被定定义为：（5）激活距离离必须大大于来确确保其行行为被激激活。此此动作没没有和其其他的动动作有直直接联系系，因此此它的相相互作用用参数设设置为00。3）机械械手收缩缩：收回回动作

12、应该该被激活活当对面面目标被被捕获之之后，因因此（6）要有一个个非常小小的过渡渡时间，这可以以防止在在同一时时间活动动的机械械臂捕获获和收缩动动作，因因此，我我们可以以设置。由于于机械手手收缩和和移动动动作的联联系，当当机械手手原理自自动巡航航装置时时我们希希望能够够取消停停止移动动。因此此这种相相互作用用定义为为：（7）其中和，是是机械手手当前和和原始配配置参数数，是指目标最近近的距离离和指定定如何使使相互作作用迅速速变化的的参数。III. 移动动平台的的控制该移动平平台的控控制，结结构与参参考文献献144中表表述的非非常相似似，但也有一些些不同。刚开始始时目标标捕获和和避障指指令被使使用。

13、紧接着着除走廊廊和墙壁壁避障不包包括在内内，但将将沿直线线扩展。第第二个领领域，不不同的是是这项工工作的障障碍是如何找出出障碍密密度的计计算方法法。具体体的论述述在IIII-D部部分。为了使控控制系统统能够根根据具体体的环境境进行导导航。我我们所使使用的方方法是基基于参考考文献20中论述述的方法法，它运运用里程程计和激激光测距距相结合合对所在环境境中地图的主主导线匹匹配测量量。该平台控控制编码码的使用用方向：；速度：V，它它在一个个控制输输入系统统的结果果数的值是是由两部部分组成成，和，这里合并为为 （88）其中和是是被Eqq限制的。 (3)中的竞争争优势和和相互作作用在IIII-C中有有详细

14、的的描述。作为控制制输入我我们需要要一个表表达式对对移动平平台的左左右轮进进行控制制，这里用用和，分别别作为左，右右侧车轮轮的表达达参数。要要使获得这这些数据据集成得得到v，连同同所需的的旋转速速度时，车车轮直径径和车轮轮之间的的距离可可以用数数据库来来计算控控制输入入：（9）（10）这里车轮轮需要的速速度差被被定义为为：（12）A.动态态目标:捕获目标标动作的的基本动动力是：(13)(14)其中和是是吸引子子的优势势参数和表示运运动到目目标的方向。常常数表达达出机械械手到目目标之间间的距离离和所需需的速度度关系。最最后最大大速度是是指移动动平台所所允许的的最大速速度。B.障碍碍动态假定一个个

15、距离，方向参参数表示示机械手手到第ii个障碍碍的方向向，在避避障的动动力学中中用公式式（155）（116）表表示如下下：(15)(16)其中动态参数数包括三三个要素素：（一一）障碍碍物的相相对方向向，（二二）比例例系数，其中根据据距离决决定衰减减的程度度。（三三）另一一个比例例系数根根据到障障碍的方方向而定定的，并并运用确保保两障碍碍间的atttraactoor产生生，如果果机器人人可以在在确保安安全距离离DS下下通过。我们可可以在参参考文献献144中看看到具体体的描述述。对于是表表示调整整速度转转向，但确保保最小速速度是被保留留的。运用公式式（177）获取取我们总总结所有有障碍的的值：（17

16、）C.竞争争动态在竞争态态势的运运算如上上面所述述公式（33）控制制的。下下面是最最大的竞竞争优势势和两种种动作的相相互作用用。1） 目标：每每当一个个目标是是存在的的，竞争优优势的参参数就被被设置为为，否则则设置为为。目标动作作有能力力能力影响响和抑制制避障动动作，目目标之间间的距离离和最近近的目标之之间的比比例足以以确保向向目标移移动的动动作是无无碰撞运运动。这这时建模为为：（18）其中到最最近障碍碍物的距距离，是是一个如如何快速速是动作作相互影影响的增增益常数数，我们将将开始抑抑制避障障时表示障障碍和目目标之间间的距离离比。2）障碍碍：该障障碍动作作的竞争争优势有有公式（119）控控制：

17、（19）其中是障障碍密度度在第三三节- D被定义。这种相互互作用被被定义为为（20）第一部分分抑制目标标动作当当障碍浓浓度超过过临界值值时，最后后一部分分可以确确保这只只是发生生在由于于的原因因避障没没有被抑抑制。D.障碍碍密度的的计算假设一系系列的距距离，移动平平台和障障碍的密密度，计计算公式式为（21）此处的定定义不同同于114中中的。公式化化的主要要问题是是，我们们不能区区分物体体的相对对多远和和一个对对象相对对多近。例例如2米米外有55个对象象的密度度定义成成相同的的密度与与40厘厘米的距距离之外外的一个个对象。根据指数数函数的的性质在在场景中中的单个个对象永永远不能能导致超超1。用用

18、于切换换到避障障动作的临界值值将因此此必须小小于1，但但一个场景景中有多多样的障障碍往往往临界值值设置的的更低。此外，发发现用代替参数数调整更容易，因因为我们们可以考考虑其作作为距离离的反比密密度。这这也造成成了当越越来越接接近一个个障碍时时密度增增长非常常迅速，从从而可以以迅速迫迫使动作作改变。IV.机机械手的的控制我们将这这个问题题分成两两部分：1）确定定机械手手的运动动，从当当前位置置到目标标，同时时避免障障碍。2）计算算所需刀刀具的逆逆运动的速度。第二部分分是一个个很好的的理解问问题，这这项工作作可以运运用在参参考文献献233中描描述的逆逆运动学学方法解解决。这这种方法法包括机机器人运

19、运动学和和动力学学的局限限性，如如关节的的位置，速速度和加加速度的的限制。此此外，在在此方法法的基础础上，进进行二次次优化获获得方法法已被证明表现现很突出出。该机械手手的运动动受机器器人控制制的目标和和障碍动动作限制制，为此和是相关关的。由于逆运运动学的的输入需需要一个个六维旋旋转速度度，因此此这些动动作必须须设置一一个变数数，它可以以集成所所需的速速度（22）其中，和和是从目目标和避避障中得得到的。A.目标标动作到目标行行为的输输入是当当前和所所需的工工具转换换和。从这些些我们可可以计算算出所需需的六维维速度螺螺杆。为避免免要求不不切实际际的快速速运动它它的范围围是和，和代表最大大允许的的机

20、床直直线和旋旋转速度度。计算（23）我们得到到了当前前速度预预期的变变化。B.障碍碍动作作为输入入避障动动作的参参数，采采用当前前笛卡尔尔速度，采用最近近的障碍碍为轨道道，给出机机械手和和障碍物物之间方方向和距距离。我我们现在在要根据据到障碍碍物的方方向和距距离计算算笛卡尔尔速度的的变化，并并分别用用和表示。1）施力力方向：根据当当前机械械手的速速度V，我们计算向量相互两者之间的角度为（24）在机械手手尺寸方方向变化化的大小小，用（225）计计算（25）其中是rrepeelloor的数数值，根据距距离控制制衰减，控制相对障碍碍之间的的角度。被用于计计算预期期的机械械手方向向的改变变：（26）根

21、据所有有障碍物物的作用用，我们们可以根根据障碍碍物的方方向计算算机械手手运动的的改变： （277）2）动力力学速度度：对速度度的动态态控制相相似于EEq。障障碍i的的作用是是： （228）其中。集集合所有有障碍的的作用变成成：（29）C.竞争争动态1）目标标动作：对于移移动平台台当目标标存在目目标动作作的竞争争优势值值设置为为0.55，否则设设置为0.5。当到目标标的距离离和最近近障碍物物的距离离之间的的比例系系数超过过，目标与与障碍物物之间的的相互作作用需要要被重新新设置，避避障作用用受到限限制，这这是有公公式（330）实实现：（30）其中是机机床和目目标的距距离；是一个个如何迅迅速改变变值

22、的增益系系数。2）障碍碍：该障碍动动作的竞竞争优势势和在第第三节- C表表述的相相同：（31）用Eq（221）进进行密度度计算，但用障碍和机械手之间的距离代替障碍和移动平台的距离。这种相互互之间的的作用用用公式确确定：（32）其中当机机械手最最接近目目标时，有助于撤销臂章动作。D收缩缩收缩动作作是在关关节处直直接运作作的。通过定定义，其中是指机械械手原始始的收缩缩数据配配置，我我们可能能计算关关节速度度为:（33） 其中中是关节最大大的速度度，为atttracctorr的作用用参数。V.实验验本实验的的目的主主要是展展示了移移动平台台和机械械手的协协调。以以前的工工作已经经展示了了动力系系统方

23、面面的方针针与导航航的能力力通过一一个环境境中移动动机器人人133 14和指导导一个机机器人绕绕过障碍碍166。(a)移移向目标标（t=0s）(b)图像伺服 (t= 28s)(c) 移动到到目标位位置 (t = 400s)(d) 完成动动作 (t = 72ss)图.3移移动机器器人实验验。假定定环境和和目标重重物的角角度是不不变的。在实验中中使用的的平台如如图1所所示，是是由一个个赛格威威RMPP2000和轻重量量型库卡卡机器人人与崇德德PG770平行行爪装备备组成。该该平台具具有一个个SICCK LLMS2291定定位和避避障装有有Uniibraain Firre-iiFirreWiire摄

24、摄像头的的激光扫扫描仪，用于机械手瞄准并抓起目标。不幸的是我们没有足够的时间来连接夹持器和控制目标。因此，它仅仅是定位和准备抓。但实际上从未关闭的抓手。由于控制框架我们使用了Microsoft Robotics Studio1.5，这提供了一个从传感器的各种输入，到驱动器输出，并确保不同的控制算法同时运作的方法。该赛格威威运动和大大多数机机械手运运动是基基于特定定的笛卡卡尔坐标标定位目目标的。但但是，一一旦目标标在tooolmoountted相相机视线线范围内内，机械械手依靠靠视觉输输入指导导切换。第五部分A将会详细阐述视觉伺服系统方法，紧接着在第五部分B中会提供测试结果。图.4.检测使使用微

25、软软机器人人SimppleVVisiion方方面的服服务特征征. 黑白白边边框框表示特特征识别别。A.伺服服系统对于最终终机械手手的定位位是使用用视觉伺伺服系统统方法获获得标准准图像进进行定位位的。特特征检测测是根据Miicroosofft RRobooticcs SStuddio的的SimmpleeVissionn服务而而测定的的，获得得能够识识别颜色色的斑点点。在这这些试验验中获得得结果我我们用绿绿色标记记标出，如如图4所所示。我我们希望望该机械械手的方方向是固固定的，因因此仅仅仅需要33个自由由度（自自由度）的的位置应该该被相关的的视觉输输入的影影响。这这些自由由度两个个是由BLOOB的

26、定定位控制制，其中一一个应在在图像中中心位置置。最后后的自由由度是由由BLOOB的大大小决定定的。B.测试试结果如图3所所示，移动机机械手的的任务是是移动一一个瓶子子从图像像的桌子子上移动动到右边边相对的的较远的的箱子里里。机器器人移动动、机械械手收缩缩和目标标行为有有关的数数据关系系可以在在图5中中看到。图.5 机械手手运行时时各项的的比例系系数表首先移动动机械手手收缩和移动指指令被激激活引起起移动平平台移向目标标，同时时手臂保持持原始的的配置装态。经经过约77秒之内内达到目目标并获得目标标信号，因因此机械械手收缩缩动作被被取消，机机械手捕捕获动作作被激活活。不久久后，SSegwway动动作

27、也被取消消，让机机械手拿拿起无干干扰的目目标。然然而机械械手运动动会导致赛赛格威漂漂移，因因此要过过一会知知道经过过20ss之后移移动平台台重新被被激活，在在这里移动平平台又达达到了预预期目标标的相对对位置。视觉觉伺服指指挥机械械手到如如图3（bb）所示的的状态。经经过约330秒钟钟，瓶子子应该被被抓手拾拾起的和和新的目目标是给给予，造造成机械械手收缩缩动作被被重新激激活而机机械手捕捕获动作作被取消消。同时移动动平台移移动动作作也被激激活，但但当机械械臂被收收回时移移动平台台的移动动动作会会迅速被被取消。完成之之后控制制移动平台台移动到到所需位位置放置置，进而而机械手手被激活活把目标标放到箱箱

28、子里。VI.结结论本文已经经介绍了了如何使使动态系系统的方方法应用用于移动动操作。此文的主要结论包括两个层次，其中竞争态势是用于移动平台的整体协调和机械手运动以及避障和目标获取等动作。该方法首先已被证实在模拟环境中，其次也通过实际工作的验证。实验用的的系统是是Miccrossoftt Roobotticss Sttudiio1.5（MMSRSS）。该该系统最最初是模模拟和参参数的调调整，采采用模拟拟器进行行。基于于模拟器器的物理理参数理理想的转转向。 整个MSSRS是是一个执执行工作作有益环环境的平平台。虽然控控制是以以20HHz被执执行的，但但由于WWinddowss XPP的非实性，动动作

29、间会有异常常值出现现。本文文出自220099年IEEEE国国际机器器人和自自动化会会议论文文集参考文献献1 H. Serrajii, AA Unnifiied Appproaach to Mottionn Coontrrol of Mobbilee Maanippulaatorrs, Thee Innterrnattionnal Jouurnaal oof RRobooticcs RReseearcch, Voll. 117, No.2, 19998, pp. 1007-1118.2 E. Pappadoopouuloss, JJ. PPoullakaakiss, PPlannninng aa

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31、oournnal of Robbotiics Ressearrch, Vool. 19, Noo. 88, 220000, ppp. 7322-7442.4 D.HH. SShinn, BB.S. Haamennr, S. Sinngh, M. Hwwanggbo, Mootioon PPlannninng ffor a MMobiileMManiipullatoor wwithh Immpreecisse LLocoomottionn, PProccedddinggs oof tthe IROOS003, 20003, 8477-8553.5 G. Schhonner, M. Doose,

32、A dynnamiicall syysteems appproaach to tassk-lleveel ssysttem inttegrratiion useed tto pplann annd cconttroll auutonnomoous vehhicllemootioon, Robbotiics andd Auutonnomoous Sysstemms, Voll. 110, 19992, pp. 2553-2267.6 G. Schhonner, M. Doose, C. Enngells, Dynnamiics of behhaviior: thheorry aand apppl

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44、k lloopp off a mobbilee roobott, PProcceeddinggs oof IICRAA, VVol 1, 19993, pp. 7991-7798.22 K.O. Arrras, R.Y. Sieegwaart, Feeatuure Exttracctioon aand sceene intterppreddatiion forr maap-bbaseed nnagiivattionn annd mmap buiildiing, Prroceeediingss off SPPIE,Mobbilee Roobotticss XIII, Voll. 332100,

45、119977, ppp. 42-53.23 L.-P. Elllekkildde, P. Favvrhoolt, M. Paauliin, H.GG. PPeteerseen, Robbustt coontrrol forr hiigh-speeed vissuall seervooingg apppliicattionns, Intternnatiionaal JJourrnall offAdvvancced Robbotiic SSysttemss , Voll. 44, NNo. 3, 20007, pp. 2772-2292.20099 IEEEE Intternnatiionaal

46、CConffereencee onn Roobotticss annd AAutoomattionnKobee Innterrnattionnal Connferrencce CCentterKobee, JJapaan, Mayy 122-177, 220099Conttroll off Moobille MManiipullatoor uusinng tthe Dynnamiicall Syysteems AppproaachLarss-Peeterr ElllekkilddeAbsttracctTThe commbinnatiion of a mmobiile plaatfoorm andd a mannipuulattor, knnownn ass a mobbilee maanippulaatorr, pprovvidees aa hiighlly fflexxiblle ssysttem, whhichh caan bbe uusedd inn a widde rrangge oof aappllicaatioons, esspecciallly witthinn t