固定基座和移动平台机械臂统一智能规划控制

With the rising of the new technology revolution, robot technology has been more and more widely applied to industrial production and life service. From the general study of redundant manipulators, researches for fixed-base manipulators are relatively common, while studies of mobile-platform manipulators are rare. From the viewpoints of real-time control and practical application, this project aims at proposing and studying the unified intelligent planning and control of fixed-base and mobile-platform manipulators. Based on the previous work/achievements of the applicant and his team, the following two parts of the unification-and-intelligence research on redundant manipulators will be conducted: 1) the unified intelligent planning and control of the acceleration and torque levels for fixed-base manipulators; and 2) the unified intelligent planning and control of all levels (i.e., velocity, acceleration and torque levels) for mobile-platform manipulators. With the merit/weakness analysis and comparison of the conventional pseudoinverse-based redundancy resolution, a new unified intelligent planning and control theory will be tried to propose, which is based on quadratic optimization technique. The theory can unify various kinds of objective functions into a quadratic performance index and also incorporate the end-effector desired path as well as physical and environmental constraints via equality and inequality constraints. Besides, corresponding online solvers with high efficacy will be investigated and developed to solve the quadratic optimization problem. The results of this research will tremendously promote and then unify the existing work on the motion planning and control of manipulators, which will also help the practical industrial application and life service of redundant robots.

随着新技术革命的兴起，机器人技术越来越广泛地被应用到工业生产和生活服务中。纵观冗余度机械臂的研究，对固定基座机械臂的研究较多，而对移动平台机械臂的运动规划与控制的研究则相对少。本项目从实时控制冗余度机器臂的角度出发，拟提出、研究和开发固定基座和移动平台机械臂的统一智能规划控制。基于申请者及团队之前的工作基础/成果，本项目将对冗余度机械臂开展如下两方面的研究：1）固定基座机械臂尚未深入开展的加速度层和力矩层的统一智能规划控制；2）移动平台机械臂各层的统一智能协调型规划控制。通过对传统的基于伪逆的冗余度解析方案的优缺点分析和对比，尝试提出一个基于二次型优化的统一智能规划控制理论，其将各种目标函数统一为一个二次型优化目标并以等式和不等式约束表述机械臂末端期望轨迹和物理环境约束。同时，开发在线求解器快速求解该二次型优化问题。本项目研究将提升和统一现有工作，有助冗余度机械臂的工业应用和生活服务。

随着科学技术的发展，机器人技术被越来越广泛地应用到工业生产和生活服务之中。冗余度机械臂的运动规划与控制的研究是机器人技术中的一个重要研究方向。机器臂是一个末端能动机械装置，有着广泛的工业生产应用背景。而冗余度机器臂因为拥有多余的自由度，其拥有更大的操作空间，并且能满足更多的约束。..本项目从实时控制冗余度机器臂的角度出发，开展了对固定基座和移动平台机械臂的统一规划控制的开发和研究。总体而言，本项目建立了以零化神经动力学/零化神经网络和二次规划为基础的机械臂统一规划控制方法。首先，利用零化神经动力学方法得出一些任务的具体描述，如重复运动、误差反馈或不同层等效等。其次，对不同类型的冗余度机械臂的各种不同层的冗余度解析方案统一转化为二次型优化问题。接着，利用数值算法来实时求解该二次型优化问题。最后，将求解结果施用于实际的固定基座和移动平台冗余度机械臂的规划控制。此外，本项目也开发了相应算法，开展了计算机仿真和实物实验以及应用实践。..项目执行的四年期间，我们有序地进行了冗余度机械臂运动规划和控制问题的研究。其中我们在固定基座串联机械臂、并联机械臂以及移动平台机械臂智能规划控制等多方面开展了深入细致、积极有效的科学研究工作，包含机械臂运动控制、障碍躲避、关节极限、抗噪声扰动和重复运动多任务运动规划等多个方面。不仅如此，我们也在与本项目主要研究内容密切相关的零化动力学方面开展了深入的扩展研究。这四年以来，我们取得了优异的研究成果：共有143篇论文成果发表在国际/国内学术期刊或会议上，发表专著/书章6本，获得授权发明专利6项，软件著作权3项。..本项目建立的统一智能规划控制的研究结果在计算机仿真、实物实验以及应用实践等多个方面都有着广泛的应用前景。其能够为科研人员与工程应用者提供强有力的理论和实践基础，也促进了冗余度机械臂的产业发展，提高了冗余度机械臂的应用水平，具有较大的社会效益。