冗余度机械臂运动规划方案的容错研究

The manipulators are end-effectors, and can be the substitutes for manual operations in many aspects, and thus, the manipulators can be applied widely. The redundant manipulator can have wider operation space and can be subjected to more constraints due to its redundant degrees of freedom (DOF), such as avoiding its physical constraints and the obstacles. However, the joint-locked phenomena will appear due to its faults of the components in the real-time control of the manipulator. Therefore, the joint passive fault-tolerance is one of the fundamental issues in operating redundant manipulators. To achieve this, we proposes a unified work-frame for the reconfiguration fault-tolerant motion planning schemes by adding a simple fault-tolerant equality constraint for the faulty joint. Such a scheme is then unified into a quadratic program (QP), which incorporates joint-physical constraints such as joint limits and joint-velocity limits.

机械臂作为一个末端能动机械装置，在许多场合可替代人工操作，广泛应用于工业生产等国民经济领域中。冗余机械臂因为其多余的自由度而拥有更大的操作空间和能满足更多的约束，比如它可以躲避自身物理极限和环境障碍物。但实时控制冗余机械臂会因为其零部件失效而产生关节锁死的现象，因此，机械臂的被动容错运动规划与控制引起了研究者的重视。为了能更好地对关节容错方案进行分析和研究，我们建立起了一个基于二次型优化的统一的冗余度关节容错方案框架。该框架可有效包含了以等式、不等式和双端约束的物理约束，因此，在此框架下对不同物理意义的目标函数展开研究，更充分体现出关节重构容错控制方案的现实意义。此外，为了进一步适应控制实时性和可靠控制的要求，对二次优化问题的实时求解器进行优化或改进也能更好地拓展所提出的关节容错方案的应用范围。该研究工作将进一步促进冗余机械臂运动规划理论的实用化。

机械臂作为一个末端能动机械装置，在许多场合可替代人工操作，广泛应用于工业生产等国民经济领域中。在应用中，实时控制冗余机械臂可能会因关节失效等而产生较大的末端轨迹跟踪误差，并进而影响机械臂的作业工作。为了能更好地对机械臂跟踪运动容错方案进行分析和研究，我们引入误差消除的动力学理论，并形成机械臂运动误差容错模型。对于该模型，我们在理论上进行了数学推导和误差收敛证明。随后对模型的参数和机械臂运动的不同来源误差的消除都进行了深入研究，验证了该误差容错模型在机械臂运动存在初始位置、速度和加速度误差、运动期间的干扰误差，及多任务的速度不连续和关节失效的速度跳变过程误差消除的有效性并给予了仿真展示。在本项目在研究过程中我们也取得了较好的进展如下：1) 我们建立起了误差容错模型，并应用于非零初始速度/加速度、任务执行过程中的速度扰动、多任务的速度不连续和关节失效的速度跳变问题的解决上。由于电机的机械特性（如电机转子惯性）和电气特性（如电感中电流的连续性）等原因，在实际应用中机械臂关节速度是连续的，因此，该误差容错模型在将机械臂运动规划方案进行应用具有重要意义；2) 我们通过施加速度连续技术措施，并采用误差容错模型消除产生的末端位置误差，使得机械臂关节的速度跳变问题得到较好的解决；3) 我们还将研究成果在实际的单片机上进行了实现。在此基础上，可通过数据截短方式来减少所需的运算时间，即以牺牲一定的误差精度以换取运算时间性能的提高。本项目的研究成果也具有较为可行的应用前景，因此，在8位单片机实现机械臂运动规划算法的基础上，我们预想进一步把该研究成果推广到其它更高级芯片上进行实现，如ARM、DSP和FPGA等，最终能把运动规划算法在芯片上集成，从而推动机械臂在企业（特别是西部地区的中小型企业）中的普及应用。