全方位移動機器人導(dǎo)論

前言

全方位移動機器人（omni-directional wheeled mobile robot，OWMR）是一類典型的移動機器人系統(tǒng)，具有平面內(nèi)完全的3個自由度，可以在任意時刻實現(xiàn)平面內(nèi)任意方向的運動，因此，非常適合工作在各種復(fù)雜環(huán)境，能在各種狹小環(huán)境中高效運動。全方位移動機械手（omni-directional wheeled mobile manipulator，OWMM）是一種具有操作功能的OWMR，通常由OWMR和安裝在其上的一個或多個具有若干自由度的機械手（manipulator）構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)使機械手擁有更大的工作空間、更高的運動冗余性，并具有同時移動和操作的功能，使其能在更短時間內(nèi)，以更優(yōu)位姿完成更大范圍內(nèi)的任務(wù)，優(yōu)于傳統(tǒng)的機械手和移動機器人。從理論上看，全方位移動機器人通常采用冗余驅(qū)動方式來實現(xiàn)機器人的全方位運動，在運動過程中需要多個驅(qū)動輪之間的協(xié)調(diào)，與差分驅(qū)動方式的移動機器人不同。而全方位移動機械手則增加了移動平臺和機械手之間的耦合，其動力學(xué)模型更復(fù)雜、非線性更強，為控制理論和方法的應(yīng)用提出了更高挑戰(zhàn)。從應(yīng)用上看，全方位移動機器人和全方位移動機械手系統(tǒng)可以代替人工作在各種危險場合，如排除炸藥、垃圾處理、野外探險、太空作業(yè)以及一些具有復(fù)雜應(yīng)用的工業(yè)場合，如船體焊接等，也可以實現(xiàn)與人的交互合作，如取小物品、開門、搬運物體等，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。全方位移動機器人一直是機器人領(lǐng)域的重要研究方向之一，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、運動規(guī)劃、運動控制、考慮干擾和不確定性條件下的智能控制方法等研究內(nèi)容一直受到國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注。本書一方面陳述本領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢，另一方面介紹近年來作者在上述研究內(nèi)容上所獲得的一些研究成果，為讀者提供本領(lǐng)域的相關(guān)動態(tài)，促進相關(guān)人員對本領(lǐng)域的深入研究。本書是在作者數(shù)年來的研究工作成果、所培養(yǎng)的博士研究生和碩士研究生的學(xué)位論文以及一些領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表的重要期刊會議論文的基礎(chǔ)上進一步深化、加工而成的。全書共14章，分為上下兩篇：上篇介紹全方位移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、運動控制和運動規(guī)劃方法；下篇介紹全方位移動機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、協(xié)調(diào)運動規(guī)劃和控制方法。

內(nèi)容概要

本書內(nèi)容共14章，分為上下兩篇：上篇介紹全方位移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、運動控制和運動規(guī)劃方法；下篇介紹全方位移動機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、協(xié)調(diào)運動規(guī)劃和控制方法?！　”緯晒氖轮悄軝C器人、人工智能和智能控制研究、設(shè)計和應(yīng)用的科技人員和高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

前言 上篇 全方位移動機器人 　第1章 全方位移動機器人介紹 　　1.1 引言 　　1.2 移動機器人 　　1.3 全方位移動機器人 　　1.4 移動機器人控制問題 　　1.4.1 傳統(tǒng)控制方法 　　1.4.2 智能控制方法 　　1.5 移動機器人路徑規(guī)劃問題 　　1.6 上篇介紹 　　參考文獻 　第2章 全方位移動機器人的結(jié)構(gòu) 　　2.1 引言 　　2.2 機器人的定義與結(jié)構(gòu) 　　2.2.1 廣義運動學(xué) 　　2.2.2 典型結(jié)構(gòu) 　　2.2.3 OWNR 　　參考文獻 　第3章 全方位移動機器人的運動控制 　　3.1 引言 　　3.2 全方位移動機器人的輪系結(jié)構(gòu) 　　3.3 運動學(xué)模型 　　3.3.1 模型建立 　　3.3.2 幾種特殊的運動方式 　　3.3.3 模型分析 　　3.3.4 完整與非完整約束 　　3.3.5 電機轉(zhuǎn)速的影響 　　3.4 基于運動學(xué)的跟蹤控制 　　3.4.1 控制器設(shè)計 　　3.4.2 仿真分析 　　3.5 機器人運動控制的實現(xiàn) 　　3.5.1 機器人速度控制器的實現(xiàn) 　　3.5.2 基本導(dǎo)航功能 　　3.6 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第4章 全方位移動機器人的運動與擠壓力同時控制 　　4.1 引言 　　4.2 動力學(xué)模型 　　4.2.1 模型1——整體動力學(xué)模型 　　4.2.2 模型2——分體動力學(xué)模型 　　4.3 運動控制 　　4.3.1 基于模型1的運動控制 　　4.3.2 基于模型2的運動控制 　　4.4 擠壓力控制 　　4.5 機器人運動與擠壓力同時控制 　　4.5.1 機器人本體轉(zhuǎn)向情形 　　4.5.2 機器人本體不轉(zhuǎn)向情形 　　4.6 仿真分析 　　4.6.1 機器人本體轉(zhuǎn)向情形 　　4.6.2 機器人本體不轉(zhuǎn)向情形 　　4.7 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第5章 基于概率路徑圖的機器人路徑規(guī)劃 　　5.1 引言 　　5.2 相關(guān)內(nèi)容 　　5.2.1 PRM 　　5.2.2 模擬退火 　　5.3 優(yōu)化路徑規(guī)劃器 　　5.3.1 新路徑的產(chǎn)生 　　5.3.2 路徑評價函數(shù) 　　5.4 仿真分析 　　5.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第6章 基于蟻群優(yōu)化的機器人路徑規(guī)劃 　　6.1 引言 　　6.2 ACO 　　6.2.1 螞蟻的捕食行為 　　6.2.2 基本ACO 　　6.2.3 仿真分析 　　6.3 基于改進ACO的機器人路徑規(guī)劃 　　6.3.1 離散域的機器人規(guī)劃問題 　　6.3.2 改進ACO算法 　　6.3.3 仿真分析 　　6.4 基于APF導(dǎo)向ACO的機器人路徑規(guī)劃 　　6.4.1 基于APF的機器人路徑規(guī)劃 　　6.4.2 APF導(dǎo)向ACO算法 　　6.4.3 仿真分析 　　6.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 下篇 全方位移動機械手 　第7章 全方位移動機械手介紹 　　7.1 引言 　　7.2 全方位移動機械手的運動規(guī)劃 　　7.3 全方位移動機械手的運動控制 　　7.4 下篇介紹 　　參考文獻 　第8章 全方位移動機械手的運動學(xué) 　　8.1 引言 　　8.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　8.3整體運動學(xué) 　　8.4 可操作度分析 　　8.4.1 廣義可操作度定義 　　8.4.2 奇異位姿 　　8.4.3 可操作度分析 　　8.4.4 方向可操作度分析 　　8.4.5 全方位移動平臺與差分驅(qū)動移動平臺的比較 　　8.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第9章 全方位移動機械手的分級協(xié)調(diào)運動規(guī)劃 　　9.1 引言 　　9.2 遺傳算法簡介 　　9.3 基于遺傳算法的運動規(guī)劃 　　9.3.1 目標(biāo)位姿的確定 　　9.3.2 全方位移動平臺位置的運動規(guī)劃 　　9.3.3 機械手的路徑規(guī)劃及與全方位移動平臺姿態(tài)的協(xié)調(diào) 　　9.4 仿真分析 　　9.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第10章 末端任務(wù)給定的動態(tài)運動規(guī)劃 　　10.1 引言 　　10.2 靜態(tài)規(guī)劃 　　10.2.1 給定任務(wù)的離散化 　　10.2.2 隨機位姿的產(chǎn)生 　　10.2.3 路圖的構(gòu)建及搜索 　　10.3 動態(tài)規(guī)劃 　　10.3.1 動態(tài)避障策略 　　10.3.2 局部規(guī)劃器 　　10.3.3 動態(tài)規(guī)劃算法 　　10.4 仿真分析 　　10.4.1 靜態(tài)規(guī)劃 　　10.4.2 動態(tài)規(guī)劃 　　10.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第11章 全方位移動機械手的動力學(xué) 　　11.1 引言 　　11.2 分體運動學(xué) 　　11.3 動力學(xué)模型 　　11.3.1 整體動力學(xué)模型 　　11.3.2 分體動力學(xué)模型 　　11.4 全方位移動機械手的運動控制 　　11.4.1 基于整體動力學(xué)模型的跟蹤控制 　　11.4.2 基于分體動力學(xué)模型的鎮(zhèn)定控制 　　11.5 仿真分析 　　11.6 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第12章 全方位移動機械手的滑模軌跡跟蹤控制 　　12.1 引言 　　12.2 滑?？刂频幕纠碚?　　12.3 基于滑模方法的軌跡跟蹤控制 　　12.4 仿真分析 　　12.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第13章 全方位移動機械手的自適應(yīng)軌跡跟蹤控制 　　13.1 引言 　　13.2 自適應(yīng)控制基本理論 　　13.3 基于自適應(yīng)方法的軌跡跟蹤控制 　　13.4 仿真分析 　　13.5 本章小結(jié) 　　參考文獻 　第14章 全方位移動機械手的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軌跡跟蹤控制 　　14.1 引言 　　14.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基本理論 　　14.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 　　14.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近特性 　　14.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制 　　14.3.1 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 　　14.3.2 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂?　　14.3.3 分離式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 　　14.4 仿真分析 　　14.4.1 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器仿真分析 　　14.4.2 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制器仿真分析 　　14.5 本章小結(jié) 　　參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第12章全方位移動機械手的滑模軌跡跟蹤控制12.1引言全方位移動機械手系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題具有重要的理論意義和實用價值。全方位移動平臺和機械手兩個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運動是全方位移動機械手優(yōu)于移動機器人和傳統(tǒng)機械手的根本所在，這使該系統(tǒng)具有更加明顯的實用價值。全方位移動機械手系統(tǒng)是一個時變的、復(fù)雜的高度非線性系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中往往存在外部干擾和系統(tǒng)不確定性，本章根據(jù)第11章建立的系統(tǒng)整體動力學(xué)模型特性，針對這一類不確定全方位移動機械手系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制問題的研究。變結(jié)構(gòu)控制在20世紀(jì)50年代提出，限于當(dāng)時的技術(shù)條件和控制手段，這種理論沒有得到迅速發(fā)展。近年來，計算機技術(shù)的進步使變結(jié)構(gòu)技術(shù)能方便地實現(xiàn)并不斷發(fā)展，成為控制非線性系統(tǒng)一種簡單有效的方法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點是，在動態(tài)過程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的狀態(tài)偏差及各階導(dǎo)數(shù)值以躍變方式按設(shè)定規(guī)律作相應(yīng)改變，它是一類特殊的非線性控制系統(tǒng)?；？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制的一種，該類控制系統(tǒng)預(yù)先在狀態(tài)空間中設(shè)定一個特殊的超越曲面，由不連續(xù)控制規(guī)律不斷變換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的狀態(tài)沿這個特定的超越曲面向平衡點滑動，最后漸近穩(wěn)定。其特點是，首先，該控制方法不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要知道其中不確定參數(shù)的變化范圍。其次，系統(tǒng)進入滑動模態(tài)后，對參數(shù)及擾動的變化反應(yīng)遲鈍，狀態(tài)始終沿設(shè)定滑線運動，具有很強的魯棒性。此外，滑模控制系統(tǒng)快速、無超調(diào)、計算量小、實時性強。但是變結(jié)構(gòu)控制存在一個缺點——抖振問題，它是由于系統(tǒng)狀態(tài)在穿越切換面時控制作用的不連續(xù)造成的。抖振問題一直困擾著變結(jié)構(gòu)控制，如果不能采取適當(dāng)?shù)霓k法消除或削弱抖振現(xiàn)象，變結(jié)構(gòu)控制的意義將大大減小，對此問題，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的工作，并提出了一些有效的辦法。

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《全方位移動機器人導(dǎo)論》是由科學(xué)出版社出版的。

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