基于构形平面匹配的可重构机器人运动学求解方法的研究

With a set of modules and a variety of configurations, reconfigurable robots can satisfy the needs of real time and rapidity for applications in various domains. However, the applications are greatly limited without the unified form in kinematics solving methods. In response to this issue, a method to solve the inverse kinematics of reconfigurable robots based on configuration plane matching is proposed. Firstly, studying the kinematics modeling of the basic module in the reconfigurable robot and building a kinematics model automatically according to the module information of the configuration composition. Then, decomposing the work configurations of the robot at the target position into several configuration planes in accordance with the division principle, and representing the workspace of each configuration plane. The positions and orientations of these planes are matched according to the work space information of the configuration planes. Finally, by solving the kinematics of the plane configuration, generalized motion of each movement joint is calculated. Based on this, the inverse kinematics of reconfigurable robots under any connection form can be solved. This proposal not only has significant value in theory research on the motion control of reconfigurable robots, but also plays an imperative role in the control of industrial robots in any series form and key technologies research on redundant robots.

可重构机器人以"一套模块，多种构形"满足当前生产生活对机器人系统的实时、快速需要。然而没有统一的运动学求解形式极大限制了可重构机器人的应用。针对这一问题，本研究提出通过构形平面匹配的方法求解可重构机器人的运动学。首先研究机器人基本模块的运动学建模方法，根据组成构形的模块信息，自动建立可重构机器人运动学模型；然后按照划分原则将机器人在目标点的位形分解成若干个构形平面，并分别表示出每个构形平面的构形工作空间；根据构形平面的工作空间信息进行各个构形平面的姿态和位置匹配；最后通过平面构形的运动学求解，分别求解出各运动关节的广义运动量，进而可求得任意连接形式的可重构机器人运动学逆解。本项目不仅在可重构机器人的运动控制研究方面有很高的理论价值和研究意义，而且在任意串联形式的工业机器人控制及冗余机器人关键技术研究方面也有着重要的借鉴作用。

本项目结合当前人民生产生活快速发展情况，为满足对柔性、敏捷和灵活生产制造需要，着重研究可重构机器人的应用基础技术，对可重构机器人关键技术的进行研究。本项目主要目标是解决可重构机器人通用的不依赖机器人工作构形的逆运动学求解方法，进而拓展可重构机器人的应用领域。项目从可重构机器人基本模块的运动学建模入手，研究可重构机器人工作构形的运动学自动建模方法，在此基础上，结合机器人的实际应用工作构形的运动学特点，提出了构形平面理论，总结了构形平面的特点、分类，完善了构形平面的运动学、动力学、工作空间的自动计算方法，通过虚拟构形平面处理，以及对一些机器人结构的简化、等效和平面处理，扩展了构形平面方法在串联型机器人的适用范围，通过加权的梯度投影法解决了可重构机器人构形平面的匹配问题，为使该方法不失一般性，通过nR串联型机器人进行验证，实现运动学自动求解。通过一系列形式的串联形式机械臂工作构形验证，实现不依赖机器人工作构形的运动学自动求解方法，同时为串联机器人提供了通用的半解析形式的运动学求解提供了途径。在完成项目预定研究内容后，进一步拓展，在运动学研究成果的基础上，研究了基于构形平面的可重构机器人轨迹规划方法，通过对构形平面的速度分配和构形平面匹配，实现多目标任务和多种约束限制下的冗余机器人轨迹规划方法。本项目研究为可重构机器人向实际工程应用解决技术障碍，也为串联机器人运动学通用性求解提供参考，基于构形平面的多目标串联机器人空间轨迹方法也为多自由度机械臂实际应用提供了更好的途径。本方法在实际应用中具有广泛适应性，表现在快速找到机器人在复杂环境中的运动途径，而不是为了穷尽机器人所有目标点的运动学逆解，具有重要的实用价值。