机械臂动力学与控制的研究

摘要

操作器和移动平台的组合提供了一种可用于广泛应用程序高效灵活的操作系统,特别是在服务性机器人领域。在机械臂众多挑战中其中之一是确保机器人在潜在的动态环境中安全工作控制系统的设计。在本文中,我们将介绍移动机械臂用动力学系统方法被控制的使用方法。该方法是一种二级方法, 是使用竞争动力学对于统筹协调优化移动平台以及较低层次的融合避障和目标捕获行为的方法。

I介绍

在过去的几十年里大多数机器人的研究主要关注在移动平台或操作系统，并且在这两个领域取得了许多可喜的成绩。今天的新挑战之一是将这两个领域组合在一起形成具有高效移动和有能力操作环境的系统。特别是服务性机器人将会在这一方面系统需求的增加。大多数西方国家的人口统计数量显示需要照顾的老人在不断增加,尽管将有很少的工作实际的支持他们。这就需要增强服务业的自动化程度，因此机器人能够在室内动态环境中安全的工作是最基本的。

图、1 一台由赛格威RMP200和轻重量型库卡机器人组成的平台

这项工作平台用于如图1所示,是由一个Segway与一家机器人制造商制造的RMP200轻机器人。其有一个相对较小的轨迹和高机动性能的平台使它适应在室内环境移动。库卡工业机器人具有较长的长臂和高有效载荷比自身的重量,从而使其适合移动操作。

当控制移动机械臂系统时,有一个选择是是否考虑一个或两个系统的实体。在参考文献[1]和[2]中是根据雅可比理论将机械手末端和移动平台结合在一起形成一个单一的控制系统。另一方面,这项研究发表在[3]和[4],认为它们在设计时是独立的实体,但不包括两者之间的限制条件,如延伸能力和稳定性。

这种控制系统的提出是基于动态系统方法[5],[6]。它分为两个层次，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。

本文剩下的安排如下。第二部分介绍系统的总体结构设计,其次是机械手末端移动平台的控制在第三第四部分讲述。在第五部分我们在结束本文之前将显示一些实验。然而, 首先与动力学系统有关工作总结与方法将在在部分I-A提供。

A.相关工作

动力学系统接近[5]， [6]为控制机器人提供一套动作的框架，例如障碍退避和目标捕捉。每个动作通过一套一个非线性动力学系统的attractors和repellors来完成。这些通过向量场的简单的加法被结合在一起来完成系统的整体动作。动力系统的方法涉及到更广泛的应用势场法[7]，但具有一定的优势。这里势场法的行为是由后场梯度形成的结果，行为变量，如航向和速度，可直接运用动力系统控制的方法。

成本相对较低的计算与方法有关，使得它在动态环境中在线控制适宜，允许它即使在相当低的水平有限的计算能力平台[8]实施。传感器的鲁棒性在人声嘈杂中显示[9]和[10]其中一个是由红外传感器和麦克风的结合，当避障和目标获取时使用。尽管能解决各种各样的任务，但它仅是一个局部的方法，为了其他的任务和使命级计划(即参见[11])其他的方法应该被采用。

当多行为被结合时，在[5]和 [6]的缺点是由潜在的假的因子引起的。为了克服这个问题[12]介绍了一种基于竞争动态的行为比重。每个行为的影响是控制使用一个相关的竞争优势，再加上定义的行为之间有竞争力的相互作用，控制重物。如果所有的行为之

间的竞争性相互作用是必需的，这种方法可以推广到任意数n，行为，除了这样一个最坏ϑ。

情况的复杂度()2n

在现实世界中使用这种方法的竞争态势室内实验中可以找到[13]，[14]。 [13]是只在有标题方向的车辆上使用，而在[14]中航向和速度均得到控制。 [15]提供了一个为速度性能简短的策略讨论。

在[16]中提到动力系统的方法不仅被用于平面移动机器人，同时也可以作为控制机械手工具。另外运用产生极限环Hopf振荡器动力系统的更复杂的动力系统也可被使用。

[17]展现出不同形状的极限环是如何产生的，其可运用于避障轨迹的生成。 [18]中介绍到使用Hopf振荡器产生一个定时的轨迹，实现了机械手可以接住从桌子上面滚下来的球。动力系统的方法不仅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度机械手多余的动作这一点在[19]中得到论证。

II.总体结构

我们整个系统的整体架构如图2所示。在赛格威平台中为了控制移动平台，两个低级别的性能被使用：一个用于目标捕获和另一个是避障。运用竞争动态的动作被混合在一起是为了做出移动平台希望得到的指定的移动动作。同样，在竞争态势的基础上目标捕获和机械手避障行为的融合给机器人收缩下达指令。当目标不在范围内，应收回机械手到一个安全的位置，这是机械手缩回行为的目的。最后融合是以一个安全的方式把所有的控制结合在一起，这样一来目标捕获和收回行为不互相干扰，另外移动平台在不开始朝着新的目标之前，移动机械手已被收回。

图.2. 控制系统的体系结构

用w mobile 、manip

acquisition w 和manip retract w 分别代表机械手移动、机械手捕获和机械手收缩行为的

影响，控制信号mobile u 和manip q 通过（1）（2）移动平台和机械手。

()left

right

u mobile mobile

u u w = （1）

manip

manip manip

manip

manip

acquisition acquisition retract retract

q

q q w w =+ (2)

其中（left

u right

u ）是指控制输入信号以控制在第三节中描述的平台的左，右侧车轮；

manip

acquisition

q

和manip

retract q 是在第四节描述的机械手关节速度。

A.竞争动态

这种竞争态势采用的方法是以[12]为基础的，除了附加参数b T 用于控制在[14]中的转换率。动力系统采用（3）因此给予：

''3'2

(),b b b b b b b b b

T w a w w rb bw w noise ≠=--+∑ （3）

其中b a 是b 和r 'b 竞争优势产生的参数，b 是'b 和b 相互竞争作用的参数。

1）移动：在移动平台远离目标时它的竞争优势应该被加强；当目标被捕获时移动平台的竞争优势应该被降低。这是通过（4）实现的。