王文運(yùn)， 傅衛(wèi)平， 魏明明， 王 雯， 楊世強(qiáng)， 韓改寧

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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自主操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的行為動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

王文運(yùn)， 傅衛(wèi)平， 魏明明， 王 雯， 楊世強(qiáng)， 韓改寧

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

在動(dòng)態(tài)或人機(jī)合作裝配場(chǎng)合中，基于規(guī)則而不是生物行為啟示的現(xiàn)有操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，難于以自然的方式對(duì)工作空間內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，而行為動(dòng)力學(xué)方法則能彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。本文在工作空間內(nèi)，建立不考慮關(guān)節(jié)約束時(shí)的操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的行為動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型。首先,定義了操作機(jī)器人末端執(zhí)行器位置運(yùn)動(dòng)的基本行為，通過競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)得到位置運(yùn)動(dòng)的整體行為模型。然后，利用行為動(dòng)力學(xué)方法設(shè)計(jì)了末端執(zhí)行器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的行為。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用行為動(dòng)力學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)操作機(jī)器人的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

自主操作機(jī)器人； 行為動(dòng)力學(xué)； 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃； 位置姿態(tài)； 行為協(xié)調(diào)

自主操作機(jī)器人是指在無人員干預(yù)或人機(jī)共用工作空間的情況下自主完成作業(yè)任務(wù)的機(jī)器人。通常情況下，這類機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)只對(duì)中間運(yùn)行軌跡做安全性要求，譬如，自主裝配機(jī)器人抓取工件或者到達(dá)預(yù)裝位置的過程。如何按一定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)安全、平穩(wěn)的機(jī)器人中間運(yùn)行軌跡，構(gòu)成了操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)。

操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法主要有可視圖法[1]、構(gòu)型空間法[2]、快速隨機(jī)樹[3]、人工勢(shì)場(chǎng)法[4]等，但這些方法存在建模困難或者適合靜態(tài)場(chǎng)景[5-7]，不適用于與動(dòng)態(tài)環(huán)境構(gòu)成復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)的自主操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題。 將環(huán)境與機(jī)器人統(tǒng)一考慮的行為動(dòng)力學(xué)[8]運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法是解決該問題的可能途徑。

本文針對(duì)自主操作機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的智能、安全等要求，以及國外采用行為動(dòng)力學(xué)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)可能出現(xiàn)的突變問題，利用基于競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)的行為動(dòng)力學(xué)方法對(duì)其工作空間的軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在不考慮關(guān)節(jié)避障約束的假設(shè)下，建立自主操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的行為動(dòng)力學(xué)模型，并利用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)對(duì)其行為權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，避免了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)可能出現(xiàn)的突變。通過在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法規(guī)劃操作機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的可行性。

1 行為動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型

串聯(lián)型操作機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式與移動(dòng)機(jī)器人不同，除了末端執(zhí)行器外，還有與之相聯(lián)接的各關(guān)節(jié)連桿，它們隨著末端執(zhí)行器一起運(yùn)動(dòng)。一般情況下，自主操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡通過規(guī)劃方法得到其工作空間的描述，再通過求逆解獲得關(guān)節(jié)空間的描述。此外，在操作機(jī)器人實(shí)際工作空間中，可能存在任意復(fù)雜輪廓的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，此時(shí)，環(huán)境障礙物對(duì)關(guān)節(jié)連桿運(yùn)動(dòng)形成約束。由于考慮關(guān)節(jié)約束和復(fù)雜輪廓障礙物的操作機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題涉及到更為復(fù)雜的理論和方法，需要專門的研究工作方能完成，因此，本文為了將行為動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的三維空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，暫時(shí)不考慮關(guān)節(jié)連桿的約束，即末端執(zhí)行器獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，并對(duì)障礙物進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，將其簡(jiǎn)化為障礙球模型(以障礙物最大輪廓包絡(luò)面直徑作為障礙球的直徑)。由于操作機(jī)器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)不耦合，本節(jié)將分別建立其位置運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的行為動(dòng)力學(xué)模型。

1.1 行為動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)介

行為動(dòng)力學(xué)方法本質(zhì)上適合解決未知復(fù)雜環(huán)境中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，其優(yōu)勢(shì)在本文給出的相關(guān)參考文獻(xiàn)中已得到證明。該方法利用非線性動(dòng)力學(xué)基本理論，將機(jī)器人與其所處動(dòng)態(tài)環(huán)境看成一個(gè)復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，將環(huán)境中的目標(biāo)和障礙物作為動(dòng)力系統(tǒng)的平衡點(diǎn)。如果動(dòng)力系統(tǒng)的特征值均具有負(fù)實(shí)部，則平衡點(diǎn)是穩(wěn)定的，在該平衡點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)吸引子(作為目標(biāo))，吸引子附近形成了吸引域，在該區(qū)域中行為變量逐漸趨向于該平衡點(diǎn)；如果動(dòng)力系統(tǒng)所有特征值的實(shí)部中至少有一個(gè)正數(shù)，則平衡點(diǎn)不穩(wěn)定，在該平衡點(diǎn)形成了一個(gè)排斥子(作為障礙物)，排斥子附近形成了排斥域，該區(qū)域中行為狀態(tài)變量逐漸遠(yuǎn)離該平衡點(diǎn)。

行為動(dòng)力學(xué)方法的基本原理是，首先，通過一定的規(guī)則[22]設(shè)計(jì)描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的行為變量，得到包含目標(biāo)吸引子、障礙物排斥子以及機(jī)器人當(dāng)前位置的描述；其次，設(shè)計(jì)機(jī)器人的奔向目標(biāo)、避障等一系列的基本行為；最終，通過行為的競(jìng)爭(zhēng)得到整體行為模型，由此產(chǎn)生機(jī)器人的規(guī)劃路徑。

假設(shè)機(jī)器人的行為變量為x(如航向角，速度等)，則其基本行為模型由非線性動(dòng)力學(xué)方程(1)表示。

(1)

其中：t表示時(shí)間，env表示機(jī)器人所處位置環(huán)境，f是當(dāng)前變量狀態(tài)x和機(jī)器人所處環(huán)境env的函數(shù)，表示吸引力或排斥力，即描述奔向目標(biāo)或避障行為。

奔向目標(biāo)行為模型以吸引子為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，其穩(wěn)定性由狀態(tài)變量前的系數(shù)為負(fù)(負(fù)實(shí)部特征值)來構(gòu)造；避障行為以排斥子為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，其穩(wěn)定性由狀態(tài)變量前的系數(shù)為正(正實(shí)部特征值)來構(gòu)造。關(guān)于行為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性證明可參見文獻(xiàn)[9-12]。

根據(jù)上述方法構(gòu)造的基本行為，對(duì)其通過合適的權(quán)重進(jìn)行線性疊加，得到自主機(jī)器人整體行為的動(dòng)力學(xué)模型，即式(2)。

(2)

其中權(quán)值ωb∈[-1,1]表示由機(jī)器人和環(huán)境通過競(jìng)爭(zhēng)得到基本行為活躍程度(見1.2.3節(jié))。

1.2 自主操作機(jī)器人末端執(zhí)行器位置運(yùn)動(dòng)行為動(dòng)力學(xué)建模

選取末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)作為操作機(jī)器人當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)描述點(diǎn)(簡(jiǎn)稱機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)，不特別指出，均為位置運(yùn)動(dòng)描述)。選取操作對(duì)象的運(yùn)動(dòng)參考(如裝配孔心)作為目標(biāo)點(diǎn)集(靜止目標(biāo)為單點(diǎn))，并將場(chǎng)景內(nèi)與其無關(guān)的物體(其余的操作對(duì)象、非執(zhí)行該任務(wù)機(jī)器人、操作者等)作為障礙球，對(duì)機(jī)器人從初始點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)行為變量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[22]，如圖1所示，在世界坐標(biāo)系o-xyz內(nèi)，選取機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)速度v、速度v在局部坐標(biāo)系x″o″y″平面的投影v″與x″軸的夾角φ以及速度v與局部坐標(biāo)系x″o″y″平面的夾角θ作為行為變量，基于動(dòng)力系統(tǒng)理論有相應(yīng)的行為動(dòng)力學(xué)模型即式(3)。

(3)

圖1 機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)行為變量Fig.1 The behavior variables of current point location of manipulator

1.2.1 奔向目標(biāo)行為

當(dāng)工作空間中沒有障礙物時(shí)，機(jī)器人從當(dāng)前點(diǎn)起始,沿直線趨向目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)稱為奔向目標(biāo)行為。

圖2 操作機(jī)器人末端執(zhí)行器xoy平面投影Fig.2 The projection of xoy plane of end executor of manipulator

根據(jù)奔向目標(biāo)行為描述，建立目標(biāo)點(diǎn)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)模型如式(4)所示。行為變量v不能在奔向目標(biāo)時(shí)無限制增大，因此，將奔向目標(biāo)的速度平衡點(diǎn)設(shè)定為合適的有限值，當(dāng)奔向目標(biāo)行為權(quán)值激活后，速度v隨著動(dòng)力系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定逐漸趨向期望速度。

(4)

其中：φtar、θtar分別為目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的x″軸方向、x″o″y″平面的方位角；vmax為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)最大線速度；φ、θ、v均為操作機(jī)器人行為變量；λtar、λv為吸引強(qiáng)度；dtar為目標(biāo)點(diǎn)與機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)之間的距離(見式(5))；c1為吸引強(qiáng)度衰減系數(shù)；c2為最小吸引強(qiáng)度；cv為速度變化影響系數(shù)。

(5)

趨向目標(biāo)行為動(dòng)力學(xué)模型的行為變量φ、θ、v與φtar、θtar、dtar、vmax有關(guān)，與其余環(huán)境信息無關(guān)。

1.2.2 避障行為

機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的避障行為是指其在奔向目標(biāo)點(diǎn)過程中遇到障礙時(shí)，能夠自主安全地繞過障礙的行為。本節(jié)設(shè)計(jì)了場(chǎng)景內(nèi)為單個(gè)障礙物的情況下的基于不穩(wěn)定平衡點(diǎn)的避障行為動(dòng)力學(xué)模型，即式(6)。當(dāng)機(jī)器人工作空間存在障礙物時(shí)，首先獲得每個(gè)障礙物的避障行為模型，然后將其線性疊加，最終得到考慮所有障礙物影響的避障行為模型。

(6)

其中：φobs、θobs分別為障礙物簡(jiǎn)化球心相對(duì)于機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的x″軸方向、x″o″y″平面方位角；vmin為避障期望速度；λobs為排斥強(qiáng)度；λv為避障期望速度的吸引強(qiáng)度；dobs為機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)與障礙球心之間的距離(見式(7))；c3、c4分別為排斥力的距離和速度衰減系數(shù)；R′為規(guī)劃路徑的曲率半徑；σ為機(jī)器人避障排斥的角度范圍，(見式(8))。

(7)

(8)

式中r是機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)簡(jiǎn)化成球體后的半徑，R是障礙物最大半徑。

1.2.3 操作機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的整體行為模型

操作機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的整體行為是外部環(huán)境與操作機(jī)器人內(nèi)部固有性質(zhì)共同決定的行為。通過設(shè)計(jì)隨整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部相對(duì)位置及速度因素變化而動(dòng)態(tài)變化的權(quán)重系數(shù)，得到線性疊加后的整體行為模型，即式(9)。

(9)

式中，ωtar為趨向目標(biāo)行為權(quán)重，ωobs為避障行為權(quán)重，b為動(dòng)力系統(tǒng)阻尼系數(shù)(防止運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)散)。

式(9)中，ωtar∈[0,1]和ωobs∈[0,1]作為操作機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)的行為權(quán)重，反映了奔向目標(biāo)行為與避障行為的相互抑制程度?；诜蔷€性動(dòng)力學(xué)理論，通過設(shè)計(jì)合適參數(shù)，得到奔向目標(biāo)行為與避障行為的競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)模型如式(10)[23]。

(10)

式中，α1、α2分別為奔向目標(biāo)行為、避障行為的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；γ12為奔向目標(biāo)與避障行為共存時(shí)避障行為對(duì)奔向目標(biāo)行為的制約程度；γ21為奔向目標(biāo)與避障行為共存時(shí)奔向目標(biāo)行為對(duì)避障行為的制約程度。

α1、α2、γ12、γ21均為與環(huán)境相關(guān)參數(shù)， 考慮到取值范圍為[0,1]以及速度和障礙物距離對(duì)其產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)式(11)。

(11)

式中，do為機(jī)器人與障礙物之間的距離；de為相互作用區(qū)中心與障礙物之間的距離；dc為相互作用區(qū)半徑；co1～co4為競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)的衰減系數(shù)。

1.3 自主操作機(jī)器人姿態(tài)的行為動(dòng)力學(xué)建模

將機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)假想成具有方向的球體，如圖3所示姿態(tài)方向線ori在局部坐標(biāo)系x″o″y″平面的投影ori″與x″軸夾角φ以及姿態(tài)方向線ori與局部坐標(biāo)系x″o″y″平面的夾角ψ作為姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的行為變量；選取操作機(jī)器人工作空間中的被抓物體形心所在中心線姿態(tài)作為目標(biāo)姿態(tài)吸引子，如圖4所示目標(biāo)中心線ori在局部坐標(biāo)系x″o″y″平面投影ori″與x″軸夾角為φtar以及目標(biāo)中心線ori與局部坐標(biāo)系x″o″y″平面夾角ψtar，建立操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)行為動(dòng)力學(xué)模型，即式(12)。

(12)

其中,λori為姿態(tài)吸引強(qiáng)度。

圖3 機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)姿態(tài)行為變量Fig.3 The behavior variables of current posture of manipulator

(o-xyz為世界坐標(biāo)系，x″y″z″為隨操作對(duì)象平移的坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)為操作對(duì)象的形心)圖4 目標(biāo)姿態(tài)Fig.4 The posture of target

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 靜態(tài)場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)

本次仿真實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的靜態(tài)場(chǎng)景是指操作機(jī)器人的工作空間內(nèi)的目標(biāo)的位置及姿態(tài)和障礙簡(jiǎn)化球的位置及尺寸不發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)的模型參數(shù)設(shè)置如下：

行為動(dòng)力學(xué)模型初始參數(shù)設(shè)置如下：

從圖5可以看出，操作機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了三維避障，并且隨著位置趨近目標(biāo)點(diǎn)的同時(shí)，姿態(tài)也在趨近目標(biāo)姿態(tài)。仿真實(shí)驗(yàn)中奔向目標(biāo)和避障行為的權(quán)重變化如圖6所示，在接近障礙物時(shí)避障行為權(quán)重急劇增加，奔向目標(biāo)行為權(quán)重相應(yīng)降低；當(dāng)遠(yuǎn)離障礙物時(shí)，避障行為權(quán)重迅速下降，奔向目標(biāo)行為權(quán)重相應(yīng)上升，實(shí)現(xiàn)了基本行為通過競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)得到激活或者抑制的目的，且不出現(xiàn)突變，但速度有變化。操作機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)當(dāng)前點(diǎn)的線速度變化如圖7所示，奔向目標(biāo)時(shí)線速度增加到限定值，奔向目標(biāo)行為和避障行為共存時(shí)速度降低到安全速度。

(紅色箭頭代表起點(diǎn)及其姿態(tài)，黑色箭頭代表目標(biāo)點(diǎn)及其姿態(tài)，藍(lán)色箭頭代表機(jī)器人姿態(tài))圖5 末端執(zhí)行器位姿運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)三維軌跡Fig.5 The 3D posture movement trajectory of end executor point of manipulator

(藍(lán)色圖線代表奔向目標(biāo)行為，紅色圖線代表避障行為)圖6 奔向目標(biāo)行為和避障行為權(quán)重變化圖Fig.6 The weight variable figure of behavior towards the target and avoidance obstacle

圖7 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)速度變化圖Fig.7 The velocity variable figure of end executor of manipulator

從靜態(tài)場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，采用行為動(dòng)力學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)場(chǎng)景下的自主操作機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)。采用酷睿i5處理器、主頻為2.5GHz的筆記本電腦，在MATLAB平臺(tái)R2010中運(yùn)行仿真程序，平均每步規(guī)劃計(jì)算時(shí)間136ms，可以滿足實(shí)時(shí)性要求。

2.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的要求，設(shè)計(jì)障礙球半徑變化規(guī)律如下：ri=ai+bi*rand(1)，其中ri為第i個(gè)障礙球半徑，ai為基本半徑(范圍為5～15)，bi為半徑變化因子(范圍為5～8)，rand(1)為0～1之間隨機(jī)數(shù)。為了方便比較，障礙球半徑變化仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在同一幅圖中顯示(其中障礙球半徑為基本尺寸)。從圖8可以看出，由于障礙球尺寸的微小變化，兩條規(guī)劃路徑差異比較大，但是末端執(zhí)行器位置運(yùn)動(dòng)軌跡均實(shí)現(xiàn)了平滑避障。

圖8 障礙球半徑動(dòng)態(tài)變化的末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)規(guī)劃Fig.8 The motion planning of end executor in the case of obstacle sphere dynamic change

針對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中可能會(huì)有移動(dòng)障礙的情況，同時(shí)考慮障礙球半徑隨機(jī)變化，設(shè)計(jì)移動(dòng)障礙球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

式中t為迭代步。

從圖9可以看出，當(dāng)工作場(chǎng)景中存在移動(dòng)障礙時(shí)，末端執(zhí)行器能夠平滑地避開移動(dòng)障礙球。

圖9 存在移動(dòng)障礙的末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)規(guī)劃Fig.9 The motion planning of end executor in the case of obstacle movement

從動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，行為動(dòng)力學(xué)方法在一定條件下適應(yīng)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)，而且規(guī)劃路徑比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)自主機(jī)器人的行為演化。

3 結(jié) 語

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是操作機(jī)器人成為自主裝配機(jī)器人面臨的關(guān)鍵問題。為了解決現(xiàn)有操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法不能很好適應(yīng)自主操作機(jī)器人與環(huán)境的耦合信息難以融合問題，本文采用行為動(dòng)力學(xué)方法對(duì)操作機(jī)器人末端執(zhí)行器工作空間的位置和姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了規(guī)劃。研究表明，依據(jù)所建立的行為動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型，可以在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的工作場(chǎng)景中產(chǎn)生光滑連續(xù)的末端執(zhí)行器位姿運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)無關(guān)節(jié)約束時(shí)的操作機(jī)器人導(dǎo)航要求。由于行為動(dòng)力學(xué)方法只需要底層工作空間中實(shí)體的距離信息，因此也適用于其它類型操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

下一步研究將以行為動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，主要圍繞以下內(nèi)容展開：①通過基于機(jī)器視覺的末端執(zhí)行器空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡的檢測(cè)，試驗(yàn)驗(yàn)證本文的理論模型；②考慮機(jī)器人末端執(zhí)行器速度平滑的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；③操作機(jī)器人關(guān)節(jié)連桿約束避障的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；④復(fù)雜場(chǎng)景下的操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；⑤模型參數(shù)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以提高操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的自主性。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Behavior dynamics method for the motion planning of the end-effector of autonomous manipulator

WANG Wenyun, FU Weiping, WEI Mingming, WANG Wen, YANG Shiqiang, HAN Gaining

(School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

In the dynamic or human-robot cooperation assembly scene, it is difficult for the existing methods for path planning of manipulator based on rules rather than the enlightenment of biological behavior to describe the movement of objects in the space with the natural way, with behavior dynamics method making up for the disadvantages. In this paper, the behavior dynamics method is used in working space of the end-effector of manipulator for the motion planning. Firstly, we define the basic behavior for position movement of robot end-effector, with the position movement of the overall behavior obtained by a competitive dynamics model; secondly, we use the behavior dynamics method for designing orientation movement behavior. The results of the simulation experiment show that the use of the behavior dynamics method can realize the manipulator’s motion planning in the static and dynamical scene.

autonomous manipulator; behavior dynamical method; motion planning; position and orientation; behavior coordination

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.04.016

2015-11-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475365)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2011JZ012)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2014SZ10-P04)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(13JS070)

王文運(yùn)，男，碩士生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)。E-mail: wyw11_11_11@foxmail.com

傅衛(wèi)平，男，博士，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、智能車輛及其控制理論與技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制、現(xiàn)代物流系統(tǒng)工程與技術(shù)等。E-mail: weipingf@xaut.edu.cn

TP242.6

A

1006-4710(2016)04-0468-07