（机械制造及其自动化专业论文）机器人装配的约束分析、操作规划及实验研究.pdf

华中i 理工大学博士学位论文 摘要 l 机器人装配操作中，接触约束的单向性和接触状态变化的离散性，使得装配操作 成为非完整过程。由于装配操作中的不确定性，传统的基于位置控制的机器人难以胜 任接触约束的装配任务，需要引入顺应策略。7 本论文从接触约束分析、接触状态规划 和装配顺应合成及实验等方面对机器人装配操作进行了深入系统的研究。 ( 基于机器人装配操作过程中接触状态的点接触约束建模，应用矩阵的奇值分解方 法和多坷凸锥理论，求解接触约束下的机器入运动学和力学参数。并给出解空间的物 理解释，归纳出在三维现实空间接触约束物体可行运动的28 种拓扑不同的解集。定 义了两类自由度来刻划非凸接触约束和凸接触约束的性质，对接触约束下物体的约束 度和自由度进行量化分析。形成机器人装配接触操作中约束分析的理论基础。厂 在接触状态空间，建立了机器人装配过程接触约束状态的规划和推理方法。积口装 配操作中接触状态的转移过程及其实现进行了分析，建立了接触约束网络圈的构造过 程，提出了操作中接触状态路径的规划算法以及接触状态改变与转移的机器人有关运 动参数的求解方法及其优化指标。对接触状态转移过程进行图形仿真。广一一- ， 在准静态条件下，通过对传感不确定性建模，以及对摩擦效应的库仑定律进行多 面锥的近似处理，建立了摩擦情形下接触状态可行性判别的线性规划方法。( ，解决了对 给定的测量力力矩的集合，以及假设的可能接触状态和不确定性建摸，对接触物体间 接触状态进行识别这一基本问题。对所提出的接触状态判别准则进行了实验验证。卜” 作为对接触操作过程的实例研究，讨论了夹具加载中装配操作的问题。潸次提出 了夹具系统中工件加载的平移可分可达性概念，推导出了夹具系统平移可分可达性 判别的一个充要条件，并给出了其代数形式的判别准则。讨论了夹具系统加载中机器 入顺应控制策略的制定，推导出了夹具系统工件加载过程中顺应的线性条件和非线性 条件，给出了工件加载的顺应映射构造方法和优化规则。 通过识别所有特征的装配物体间的接触形式及接触力，并求解接触力所对应的误 差修正运动，构造机器人装配操作顺应映射，提出了顺应合成的框架结构；通过对传 统位置控制机器人的改造，增加其控制系统的力控制环节，在此基础上完成了一类简 单装配接触操作任务以验证顺应框架和力控的可行性。 关键词；机器人装配操作，装配规划，接触约束，顺应映射，接触状态识别，夹具加 载 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t u n i d i r e c t i o n a lc o n t a c tc o n s t r a i n t sa n dd i s c r e t ec h a n g e so fc o n t a c ts t a t e si nr o b o t i c a s s e m b l ym a n i p u l a t i o nm a k et h ea s s e m b l yp r o c e s sn o n h o l o n o m i c o w i n gt oa l lk i n d so f u n c e r t a i n t i e sa r i s i n gf r o ma s s e m b l yt a s k s ，t h ec o n v e n t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o l l e dr o b o tc o n t r o l s y s t e m sa r en ol o n g e rc o m p e t e n t i n a s s e m b l ym a n i p u l a t i o nc h a r a c t e r i z e db yc o n t a c t c o n s t r a i n t s ，a n dc o m p l i a n tm o t i o n sa n dc o n t r o lr u l e sm u s tb ei n t r o d u c e dt oc o p ew i t ht h i s s i t u a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e so u ts y s t e m a t i cs t u d i e so nr o b o t i ca s s e m b l ym a n i p u l a t i o n c o n c e n t r a t i n go nc o n t a c t c o n s t r a i n ta n a l y s i s ，c o n t a c t s t a t e p l a n n i n ga n dc o m p l i a n c e s y n t h e s i s o nt h eb a s i so fp o i n t - c o n t a c tm o d e l i n ga n da n a l y z i n gf o rc o n t a c ts t a t e si nr o b o t i c a s s e m b l yp r o c e s s ，m e t h o d sa r eg i v e nt ow o r ko u tt h ek i n e m a t i ca n ds t a t i cp a r a m e t e r so f r o b o tu n d e rc o n t a c tc o n s t r a i n t sw i t ht h eh e l po fs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a n d t h e o r yo fp o l y h e d r a lc o n v e xc o n e ( p c c ) ，2 8k i n d so ft o p o l o g i c a l l yd i f f e r e n ts o l u t i o ns e t sa r e d e d u c e di n3 dr e a ls p a c e ，a n d2k i n d so fd e g r e eo ff r e e d o m ( d o f ) a r ed e f i n e df o rc o n y e xo r n o n - c o n v e xc o n t a c ts t a t e st oq u a n t i t a t i v e l ym e a s u r et h ec o n s t r a i n to fc o n t a c ts t a t e s ，f r o m w h i c hat h e o r e t i c a lb a s ei ss e tu pf o ra n a l y z i n gt h ec o n t a c tc o n s t r a i n t sd u r i n ga s s e m b l y m a n i p u l a t i o n p l a n n i n ga n dr e a s o n i n gm e t h o d sa r ee s t a b l i s h e df o r c o n t a c ts t a t e sd u r i n gr o b o t i c a s s e m b l yi nc o n t a c ts p a c e a f t e rt h ea n a l y s i so fc o n t a c t s t a t et r a n s f e ra n di t sf u l f i l l m e n t ， a l g o d t h m sa r ep u tf o r w a r dt oc o n f i g u r eo u tt h ec o n t a c t - s t a t en e t w o r kg r a p ha n dp l a no u tt h e c o n t a c t s t a t ep a t hw a y st os o l v et h er o b o tk i n e m a t i cp a r a m e t e r sf o rc o n t a c t s t a t et r a n s f e r a n do p t i m i z a t i o ni n d e xa r ea l s og i v e n f u r t h e r m o r e ，g r a p h i cs i m u l a t i o nf o rc o n t a c t s t a t e t r a n s f e ri nm a n i p u l a t i o ni st a k e n c o n t a c t - s t a t er e c o g n i t i o nt a k e sag r e a tr o l ei nr o b o t i ca s s e m b l ym a n i p u l a t i o n a f t e r m o d e l i n gt h ef o r c e s e n s i n gu n c e r t a i n t i e sa n da p p r o x i m a t i n gt h ec o u l o m bf r i c t i o nc o n ew i t h p o l y h e d r a lc o n e ，al i n e a rp r o g r a m m i n gp r o c e d u r ei sf o r m u l a t e dt o t e s tt h ef e a s i b i l i t yo fa n a s s u m e dc o n t a c ts t a t e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nt os u b s t a n t i a t e t h ev a l i d i t yo ft h e p r o p o s e dd i f f e r e n t i a t i n gr u l e s a sac a s es t u d yf o rc o n t a c tm a n i p u l a t i o ni na s s e m b l yt a s k , t h ef i x t u r el o a d i n gp r o b l e m ， w h i c hc a r lb ei nag r e a te x t e n tv i e w e da sa na s s e m b l yp r o c e s s ，i si n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s t 华中- 理工大学博士学位论文 t i m e ，t h en o t i o no ft r a n s l a t i o n a la c c e s s i b i l i t ya n dd e t a c h a b i l i t yd u r i n gf i x t u r el o a d i n ga n da s u f f i c i e n ta n dn e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rj u d g i n gi t se x i s t e n c ea r ep r e s e n t e d a na l g e b r a i ct e s t i n g r u l ei sa l s os u g g e s t e dt h ef o r m u l a t i o no fr o b o t i cc o m p l i a n c e c o n t r o ls t r a t e g i e si nf i x t u r e l o a d i n gi se x p l o r e d l i n e a ra n dn o n l i n e a rc o n d i t i o n si nc o m p l i a n t l yl o a d i n gw o r k p i e c e si n t o f i x t u r e sa r ei n f e r r e do u tt os y n t h e s i z et h en e c e s s a r yc o m p l i a n c ei nf i x t u r el o a d i n g t h r o u g hr e c o g n i z i n ga l lo ft h ef e a t u r e dc o n t a c tf o r m a t i o n sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n g c o n t a c tf o r c e s ，a n ds o l v i n go u tt h o s er e s p e c t i v ee r r o r - c o r r e c t i v em o t i o ni n s t r u c t i o n s ，a f r a m e w o r kf o rc o m p l i a n c es y n t h e s i si na s s e m b l ym a n i p u l a t i o ni s p r e s e n t e d a f t e rs o m e m o d i f i c a t i o n so ft h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo fp u m a5 6 2r o b o tt ob u i l du paf o r c e c o n t r o ll o o pi n t oi t se x i s t e n tc o n t r o ls y s t e m ，as i m p l eg e n e r i co fa s s e m b l ym a n i p u l a t i o ni s i m p l e m e n t e dt ot e s t i r yt h ef e a s i b i l i t yo f t h ef r a m e w o r k k e y w o r d s ：r o b o t i ca s s e m b l ym a n i p u l a t i o n ，a s s e m b l yp l a n n i n g ，c o n t a c tc o n s t r a i n t ， c o m p l i a n c em a p p i n g ，c o n t a c t - s t a t er e c o g n i t i o n ，f i x t u r el o a d i n g 1 1 i 华中理工大学博士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本学位论文课题是国家自然科学基金“集成机器入装配规划与操作的几何推理方 法研究”( 批准号6 9 7 7 5 0 2 1 ) 、国家教育委员会( 现国家教育部) 高校博士点专项基金“旋 量空间的几何推理”( 批准号9 6 0 4 8 7 2 7 ) 、国家高技术8 6 3 计划项目“多机器人协调装 配的运动规划”( 批准号8 6 3 5 1 2 2 2 0 1 ) 并h 中国科学院机器人学开放研究实验室基金“基 于特征的机器人装配细运动规划”的一个重要组成部分。也是国家自然科学基金重大 项目“支持产品创毅的先进出8 造技术中的若干基础性研究”( 批准号5 9 9 9 0 4 7 0 ) 的组成 部分。 1 2 本课题的目的和意义 近几十年来，机器人己成功应用在越来越多的领域。早期的工业机器人主要应用 于汽车工业，实现点焊、弧焊、搬运和喷漆等操作：在电子工业领域，平面关节机器 人( 即s c a r a 机器人) 普遍应用于电子元件的装配。同时，机器人的发展也经历了三 代：第一代可编程的示教再现机器人、第二代具有一定的感知功能和一定自适应能力 的离线编程机器人和第三代智能机器人。新一代智能机器人将装备多种传感器，并能 对从多种传感器得到的信息进行融合，具有较强的自主任务规划能力和自适应能力及 一定的自学习和自治能力，以有效地适应变化的环境，完成较为复杂的作业任务。目 前，智能机器人正不断拓展其应用领域，不仅广泛应用于工业生产，而且越来越多地 应用于海洋开发、核能利用、排险救灾、航空和航天等极限环境，以及扫雷、侦察和 防化等军事领域和医疗康复等民用服务领域，显示出巨大的社会效益和经济效益。 在智能机器人研究和应用中，机器人的自主规划能力在任务实现和操作中发挥着 重要作用。早期的机器人规划集中在自由运动规划即机器人无碰路径规划，和机器人 装配序列规划两个方面。两方面的研究都仪考虑机器人、操作对象( 如工具、工件等) 、 操作环境( 如必具、网定位置的工件等) 之间无碰撞无垃触情形，没有考虑操作中力学 和几何交互等多种因素。但是，在机器人操作，如精密装配、智能抓取和智能夹持等 方面，传统的机器人规划技术不再有效。上述操作中，约束运动成为问题的关键。自 由运动规划，又称宏运动( m a c r o m o t i o n ) 或粗运动规戈l j ( g r o s s - m o t i o n ) 是对机器人在运 华中- 理工大学博士学位论文 动过程中与环境不产生接触时运动指令和运动规则的求解；而机器人约束运动，又称 精运动或细运动( f i n e - m o t i o n ) 规划，是指机器人在运动过程中与环境发生或保持接 触与环境产生力的作用，受到环境和机器人本身几何形状和力的约束，因此，精运 动规划又称为约束运动规划或顺应运动规划( c o m p l i a n tm o t i o np l a n n i n g ) 。从机构学的 观点看，自由运动时，机器人操作臂呈开链结构，而约束运动时呈闭链结构。机器人 约束运动规划j 控制已成为机器人操作的基础。机器人装配作业、多指抓取、仿形跟 踪和多肢步行等都与约束运动规划有关。 近十年来，约束运动规划和控制领域的研究和实践己成为机器人科学研究的热点 之一。接触状态的发生、保持及转移以及由此产生的操作过程中的力和几何约束是 约束运动规划问题的核心，是机器人精密操作，尤其是机器人装配操作的基础。在自 由运动规划中，机器人操作臂链可以看作是由多体( m u l t i b o d y ) 组成的完整( h o l o n o m j c ) 系统，其研究方法( 如欧氏空间运动规划法、多体运动学和动力学方法、以及形位空间 即c 空间方法等) 已有相当成熟或广泛的研究；而在机器人装配操作中，由于接触约 束的单向性( u n i s e n s e ) ，使得装配操作任务的过程模型通常是非完整的f n o n h o l o n o m i c l 。同时，在机器人精密装配作业中，出于产品的制造误差、机器人控制误 差和传感器的传感误差等引起的装配作业任务的不确定性( u n c e r t a i n t y ) ，使得机器人与 操作对象间的接触形位( c o n f l g u r a t i o n ) 年n 接触状态具有不确定性；基于位置控制的机器 人控制策略此难以胜任接触约求的装配任务，即使址较小的工件例的位置偏差都可能 引起较大的机器人和环境间接触力，从而损坏机器人或操作对象。需要引入顺应 ( c o m p l i a n c e ) j 主动和控制规则来完成机器人装配操作任务。装配过程接触约束的运动 学和力学规律、机器人装配过程接触状态规划、机器入与环境之间接触状态的识别与 转移、以及满足接触状态保持和转变的机器人控制策略制订、约束运动轨迹的自动生 成、装配策略的可操作性分析( 包括可装配性分析) 等方面，仍然有待深入研究。 装配中的约束运动规划也已成为并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) q bd f x ( d e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n g ，a s s e m b l y ，m e a s u r e m e n t ，e t c ) 技术的重要方面。当前d f x 技术仅考虑 装配序列的存在性以及零件间几何干涉等方面，面装配任务的可操作性、工件或工具 的可加载和可达性等还有待进一步完善。高效的机器人约束规划算法不仅可以提高机 器人执行操作任务的自主性，还将为并行工程下的产品设计( c a d ) 和j 2 艺规：e q ( c a p p ) 提供可装配性和可操作性分析工具。 本课题正足在上述背景下，以“机器人装配的约束分析、操作规划及实验研究” 为题，针对机器人装配约束运动中接触约束的分析、接触约束状态的发生、保持和转 移的规划方法、及其实验验证等方面来开展研究，以提高机器人装配的约束运动规划 华中理工大学博士学位论文 能方，完成精密装配作业。 本课题的目的就是从理论上进一步研究约束运动规划中机器人非完整接触约束的 运动学和力学分析方法，研究机器人装配过程中接触约束状态的发生、转移和保持的 控制策略，4 ；确定。陛下机器人装配操作顺应运动规则及控制策略，提出机器人装配过 程接触状态规划算法，并通过仿真和实验来验证所提出方法和策略的有效性。从而为 机器人装配操作规划提供必要的方法和理论依据。 机器人装配接触约束分析和操作规划方法不仅是装配操作规划的核心，也是机器 人约束运动规划的关键，对于提高约束环境下机器人自主规划能力，实现复杂精密的 机器人操作具有重要的理论意义和实际应用价值。同时，本文的研究工作对于跟踪和 赶超国际上机器人研究的先进水平，促进我国智能机器人技术的进步具有现实的意 义。尽管本文的研究工作是针对机器人约束运动规划和操作分析进行的，然而所获得 的结果对于多机器人协调操作、自适应夹具分析和规划、以及制造中可制造性分析， 特别是可装配性、可操作性分析等具有指导意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 装配操作中的顺应 在机器人接触操作中，顺应被引入来克服机器人与环境之问相互接触产生的巨大 的接触力，通过机器人所操作的工件和环境之间的接触力来调整或修正它们之间的相 对位置或运动。顺应运动发生于当机器人操作臂的位置受操作任务约束并与操作环境 发生接触的情形。把采用力信息反馈的顺应称为主动顺应( a c t i v ec o m p l i a n c e ) ，而将机 械结构或装置在外力作用下的顺应称为被动顺应( p a s s i v ec o m p l i a n c e ) 。 j i x 应可以通过装子机器人末端的被动机械顺应装置获得，m i td r a p e r 实验室在对 插轴x 孑l ( p e g - i n h o l e ) 装配过程运动规划和阻塞( w e d g i n g ) l 口卡死( j a m m i n g ) 分析的基 础上获得了装配过程所需的顺应性质，并在此基础上设计成功了获得广泛研究和应 用的r c c 机构【l 】。r c c 实际上就是一个姨在操作臂末端和末端执行器之间的具有多 个自由度的弹性灵巧装置。r c c 机构存在一顺应中心点，在此点处作用一横向力，只 产生相应的横向位移，而不产生转动；若在此点处作用一扭矩，则只产生相应的转动 而不会伴随有移动。因此在装配任务中，当受到由装配中接触产生的力或力矩作用 时，r c c 机构发生偏移变形或旋转变形来吸收装配中的不确定性( 主要是线性误差和 角度误差) ，从而顺利完成装配任务。选择弹性体的刚度可以得到不同的顺应特性。 华中- 理工大学博士学位论文 围绕r c c 机构顺应，目前的研究集中在被动顺应的改进上，主要的方法有： v r c c ，即可变柔性的r c c ，通过在r c c 中采用一种具有可调刚度的球形弹簧，使 得r c c 的顺应中心可以在一定范围内变化，从而扩大了r c c 的应用范围：i r c c ，即 由r c c 和位姿检测装置结合形成。它结合了主动传感器和被动调节的优点，使i r c c 具有更大的应用范围【2 w 】。 r c c 机构顺应仅限于特定任务( 如带导角的插轴x - f l 等) 和结构化环境。主动顺应 应用接触力力矩信息来提高装配机器人处理各种不确定性因素，以提高机器人的灵活 性。 顺应运动发生于当机器人操作臂的位置受操作任务几何约束并与操作环境发生接 触的情形。m a s o n 最先考虑了当任务几何特性等对顺应运动施加约束时的全局运动规 划方法，通过定义自然约束和人工约束，规定广义表面和约束坐标系等，应用形式化 语言来捕述力控以合成装配顺应运动的控制策略“1 。m a s o n 的工作不限于装配操作。 但需要导出任务描述，同时也未考虑装配零件的儿何和位置不确定性等。 应用约束空间和自由空间的概念，r a i b e r t 和c r a i g 提出了机器人位置力混合控制 方案1 7 】。同时，基于关节力矩控制方案的顺应运动方案也己提出。这类方案的设计依 赖于操作臂运动学、动力学以及环境的控制纬构。蜘l 果约束环境变化，则顺应控制器 的结构必须重新设计。主动顺应通过在机器人控制系统引入力传感器信息，在获得或 维持期望的接触力的同时完成机器人装配运动指令。s a l i s b u r y 提出了基于笛卡尔空间 的主动刚度控f l i l ( s t i f f n e s sc o n t r 0 1 ) 方案，通过刚度矩阵来将力信息转换成期望的机器人 位最1 8 1 。w h i t n e y 提出了力反馈控制的阻尼控铕f j ( d a m p i n gc o n t r 0 1 ) 方法，以将操作中接 触力信息映射成机器人操作速度 9 j 。h o g a n 提出了操作臂的阻抗控带o ( i m p e d a n c e c o n t r 0 1 ) 方案，通过主动阻抗将力信息转换成对机器人位置和速度的修正【1 0 1 1 ”i 。由此 产生了其它操作顺应控制方案，如导纳控带i j ( a d m i t t a n c ec o n t r 0 1 ) 方案和调节控制 ( a c c o m m o d a t i o nc o n t r 0 1 ) 方案| l “。由于机器人结构的复杂性、机构间隙等因素，使得 机器人操作的各种动力学控制方案不具竞争力和有效性，直接力控弗l j ( d i r e c tf o r c e c o n t r 0 1 ) 方案期望通过直接控制机器人操作时的输出力力矩来实现操作中的顺应i ”】。 目前机器人操作的主动顺应的研究集中于阻抗控制和直接力控制等方面。无论是被动 顺应和主动顺应的设计，都依赖于对装配中约束任务的分析和规划。 1 3 2 机器人装配规划方法 机器人装配规划可以分为装配序列规划( a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n 曲和装配运动 规划( a s s e m b l ym o t i o np l a n n i n g ) 1 ”。装配序列规划解决对于给定的装配体( 产品) ，以什 4 华中一理工大学博士学位论文 么样的次序来装配或拆装产品，需要多少只( 机械) 手来协调来完成这些装配或拆装? 每只手的自由度是多少等问题。在装配规划中，l s h o m e nd e m e l l o 等通过定义产品 间的先后( p r e c e d e n c e ) 约束关系，给出了生成机械装配序列的一般方法 1 5 1 1 6 1 ；初期装配 序列规划用来对机器人装配任务进行分解【1 【1 ”，以确定任一装配任务所需要的子任务 及其次序，完成装配任务的机器人仅限于作空间平面直线运动，而对实现装配任务所 需要的工具可达性分忻、子装配体( 装配部件) 问的稳定性分析、机器人任意运动时序 列存在性、和零件公差对装配序列的影响等都来考虑。近年来，在上述领域，一系列 研究结果已经取得1 1 9 卜【2 ”。同时，装配序列规划还被用于对产品复杂性、可制造性以 及装配工艺等进行分析，以帮助设计者获得更易于制造的产品【2 9 】巾“。 装配运动规划包括装配宏运动规划和装配精运动规划。装配宏运动规划不考虑装 配对象间接触约束所产生的力的作用，在实质上等同于一般的机器人无碰运动( 路径) 规划问题。这一领域的研究仍然十分活跃。目前，机器人装配宏运动规划方法主要有： c - i 司( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) 法、人工势函数法、可视图法、单元分解法等”1 。这几种 方法各有所长，在实际应用中有待进一步完善及相互补充。 机器人装配精运动( j i l 哽应运动) 规划是当机器人在装配过程中，装配对象存在相互 接触，产生力的作用时，通过利用传感器反馈。尤其是力传感器的反馈，来开发和寻 求列运动方案，以实现装配任务的过程3 。 ( 1 ) c 一空间的l m t 方法 l o z a n o p e r e z 、m a s o n 和t a y l o r 基于对装配任务的几何描述和对传感和控制不确定 性的显示估计，在c 空间给出了装配操作精运动规划集成和综合的形式化方法【”1 。众 多研究者对l m t 方法进行了发展形成了装配精运动规划的l m t 方法p 6 h ”1 。在l m t 框架中，精运动规划由一列有限的顺应运动组成，通过在不确定性下利用前像( p r e i m a g e ) 概念考虑目标的可达性得到每一顺应运动的名义速度方向。机器人动力学模型 被表示成广义阻尼，机器人的顺应则被表示成一个被预定义的阻尼矩阵的逆。l m t 框架的一个显著特征是顺应运动规划与宏运动规划方法集成一体，形成了装配规划方 法的一步法。由于c 空间的复杂性及其众多的未解决的理论问题，目前并没有基于 l m t 框架的精运动规划系统实现。但是，l m t 方法仍为装配精运动规划提供了许多 可借鉴的工具，如其时装配过程不确定的建模方法以及装配控制的准静态方法等。 ( 2 ) 接触空间推理法 l a u g i e r 最先提出了接触空间的推理框架，通过将装配过程看作为从初始接触( 或 无接触) 状态到目标接触状态的转移过程，l a u g i e r 提出了装配操作接触状态i 虱( c o n t a c t 华中理工大学博士学位论文 s t a t eg r a p h ) 的构造算法和可行糟运动规划的搜索算法4 ”。l a u g i e r 的方法将寻找满足 接触状态转移的局部顺应策略与在接触空间状态图中寻求全局可行接触路径分开，形 成装配运动规划的“二步法”。如图1 1 所示。 装配表示 图11装配规划的二步框架 l a u g i e r 框架的实现有赖于对接触状态及其约束的深入分析。在l a u g i e r 的基础上， d e s a i 和x i a o 等人通过对不确定性进行建模，得到了不确定下装配件间所有可能的接 触状态并通过接触建模，利用传感器信息来识别操作中实际的接触状态【4 2 h 4 6 1 。 受r c c 机构的启发，p e s h k i n 提出基于c 空问的装配顺应运动规划法。期望在二 步框架中当引入不确定性后，通过构造调节矩阵爿来将各种可能的错误接触形位的产 生的广义力信息，映射为与装配任务一致( c o n s i s t e n t ) 和校错( e r r o r c o r r e c t i v e ) 的机器 人顺应运动p ，即 ，：v 。+ a f ，其中v 。是从装配规划的二步框架中点一步所得到的名 义运动指令【4 ”。p e s h k i n 的方法最终通过主动力反馈来实现其顺应运动规划。 上述两种装配运动规划方法属于决定性( d e t e r m i n i s t i c ) 方法，即装配运动实现时传 感信息是可靠的。e r d m a n n 和b r o s t 等人也提出了装配运动规划的随机( s t o c h a s t i c ) 方 法，以处理装配操作无可靠传感信息的情形 4 8 i - - ”】。 6 华中理工大学博士学位论文 1 3 3 接触约束分析 传统机器人操作臂的运动学和静力学已经得到广泛研究。机器人操作臂是一个由 连杆多体系统组成的完整系统，其运动学和静力学分析方法已经建立。但装配操作的 过程模型往往是非完整的。装配体之间由于接触形成机械约束，由于约束的单向性， 物体之间只能在某一方向分离。接触约束的单向性使得传统机器人运动学和静力学分 析力法不再适用。在旋量( s c r e wt h e o r y ) 中o h w o v o r i o l e 和r o t h 通过顺置( r e p e l l i n g ) 旋量和正置( r e c i p r o c a l ) 旋量来表示单向约束”。在抓取分析中，手指约束的单向性通 过形封i 羽( f o r mc l o s u r e ) 和力封闭( f o r c ec l o s u r e ) 来解决1 5 2 l f 5 3 】；x i o n g 建立了接触约束分 析的点接触理论，并将其应用于抓取操作的定性分析1 5 4 。在夹具分析中，a s a d a 和b y 从工件定位过程非完整模型中推导出夹具系统可达性( a c c e s s i b i l i t y ) 牟l ：可分离性 ( d e t a c h a b i l i t y ) 条件【5 ”。d e m e t e r 在点接触方法的基础上建立夹具系统分析的表面接触 ( s u r f a c ec o n t a c t ) 约束模型”。 基于单向约束模型分析装配过程的工作始于r a j a h 等人的研究工作【5 7 】1 5 8 i 。d e s a i 基 于装配接触约束拓扑不同性提出了接触形式( c o n t a c tf o r m a t i o n ) l 拘概念【1 4 1 。由于装配过 程的接触约束单向性最终可以由一系列线性不等式组来表示，h i r a i 和a s a d a 基于 g o l d m a n 和t u c k e r 提出的齐次线性不等式的多面凸锥( p o l y h e d r a lc o n v e xc o n c ) i 里论方 法1 5 9 1 建立了操作过程单向约束分析系统方法【6 0 1 。但对求解结果的分析和理解还有许多 问题有待研究。 1 3 4 接触约束识别、控制和实验 d e s a i 最先考虑了传感和几何不确定性下接触约束的识别和验证，其目的是验证精 运动规划实现中的结束条件( t e r m i n a t i o nc o n d i t i o n ) ”。g o t t s c h l i c h 和k a k 考虑了接触 操作中准静态( q u a s i s t a t i c ) 下的冲击效应，提出了对接触力反馈控制中从力偏差酽到 增量位置指令印的刚度映射8 f = k 印刚度控制的修正方法【6 “。f a e s s l e r 建立了操作臂 与刚性环境连续接触时操作臂动力学方程，针对机器人操作臂非线性和时变动力学特 性，在机器人运动控制和力控制子空间设计了独立的补偿器，以解决同时需要运动控 制和力控制来完成的机器人操作任务中的控制问题【6 2 1 。m a n d a l 和p a y a n d e h 等讨论了 操作任务中接触稳定性问题，提出了在刚性和柔性环境下稳定接触的统一控制策略 ”，为解决接触操作中的稳定性问题，其他学者出相继提出了目标阻尼比( t a r g e t d a m p i n gr a t i o ) ；n 奇异摄动( s i n g u l a rp e r t u r b a t i o n ) 建帧分析方法等【6 ”。m c c a r r a g h e r 和 a s a d a 等人提出了装配操作接触状态转移的离散事件建模和控制方法，通过p e t r i 网和 7 华中- 理工大学博士学位论文 马尔可夫过程等对装配操作进行建模和控制6 5 h 删。接触约束的识别与控制由于其在 装配和抓取、以及其他机器人作业任务中的重要地位已成为机器人操作研究的重要内 容众多的研究集中在接触感知、识别和控制方面”h ”1 。 1 3 5 约束运动规划的顺应合成方法 在l m t 框架中，顺应合成和装配运动规划集成在一起，装配中所需要的顺应由一 列规划的顺应运动来实现。由于前文所述的诸多理论问题，使得这种顺应实现方法很 难应用于实践。r c c 柔顺机构则可认为是带倒角的柱孔装配操作过程所需顺应的物 化，通过巧妙的机构设计实现了操作过程的顺应合成策略。p e s h k i n t 47 】将顺应运动的要 求表述成： ( a ) 顺应运动将避免机器人与环境间产生过大的接触力以免损坏装配零件，即装 配顺应的一致性( c o n s i s t e n c y ) 要求； ( b ) 顺应运动将减小装配物体当前错误状态与目标装配状态的距离，即装配顺应 的校错( e r r o r c o r r e c t i v e ) 要求。 顺应合成的目标是构造一类顺应映射，将机器人传感信息映射成机器人顺应运动 指令使上述要求得到实现。p e s h k i n 提出装配中一类线性顺应合成方法【4 7 1 。v o u g i o u k a s 和g o t t s e h l i c h 等提出了顺应合成的统一框架以集成线性和非线性顺应映射一5 】【7 6 i 。 a s a d a 考察装配过程非线性顺应问题，并尝试用人工种经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 技 术来实现装配任务所需要的非线性顺应 1 1 。p a r k 和c h o 在顺应合成中将主动力反馈控 制和被动的随机振动搜索策略结合，振动形式和反馈力之间的关系通过对神经网络的 训练获得，以合成无倒角零件装配过程中所需要的顺应f 7 ”。y a n g 和a s a d a 还提出了顺 应合成的渐进学习机制( p r o g r e s s i v el e a r n i n gm e c h a n i s m ) ，通过对学习样本的调度 ( s c h e d u l i n g ) 来渐次提高任务的复杂度，以达到最小的任务性能要求并使学习过程不至 于因任务复杂度的提高而趋于发散 7 9 1 叫8 1 l 。非线性映射的合成及其控制实现等对机器 人传感、控制和任务实现提出了更高的要求，目前尚有待进一步研究。 1 3 6 机器人装配操作中的传感技术 在装配操作中需要多种传感信息，特别是力力矩传感器的信息。因此，感知规 划、传感信息的获取和融合技术等成为机器人装配操作中的重要环节。x i o n g 在对力 传感器各向同性分析的基础上，提出传感器的设计必须与操作任务模型相适应，以获 取最大信息量8 2 1 。m i u r a 和i k e u e h i 提出了传感任务模型( s e n s n gt a s km o d e l l i n g ) 的概 华中理工大学博士学位论文 念，它实际卜就足针对一类生成的传感策略模$ 瘦( t e m p e l a t e ) ，通过在规划时间实例化 恰当的传感任务以得到相应的传感策略”。m o r r o w 和k t o s l a 提出了集成机器人装配 策略的传感器马达( s e n s o r i m o t o r ) 的概念，其目的是通过封装传感和机器人动作来提供 传感器驱动的指令库，以有效地将传感器集成到执行特定任务的机器人系统中。其提 出的传感马达原型类如表j 1 所示，通过传感器与传感器、以及传感器与动作之间的 组舍得到不同的输入，并对传感任务所输出分为感知或动作进行分析，以到达传感器 融合、主动感知、摄动、反应规划、及实现复杂任务规划等多种功能，从而为装配操 作任务提供全面的信息口“。 1 4 本文的主要研究内容 表11 传感马远原型类 本文在总结前入研究工作的基础上，在机器人装配操作接触约束建模和分析、不 确定性下接触状态识别方法、装配过程接触约束网络推理、夹持系统可加载性分析、 顺应运动合成及装配接触操作实验等方面进行了系统深入的研究。全文主要研究内容 包括： ( 1 ) 研究机器人装配操作接触约束的建模方法、接触约束的运动学和力学求解方 法。在对点接触约束建模和分析的基础上，将接触约束下的机器人运动学和力学分析 表示为对齐次线性不等式组的求解过程。接触约束下机器人装配操作时可行的运动和 力空间是一个多面凸锥。应用矩阵的奇值分解方法，给出了多面凸锥的简化的求解过 程。针对约束矩阵为满秩方阵对的特殊情形，给出其运动学分析的方法。同时，应用 多回凸锥理论，对装再己过程接触状态进行分类。并讨论了凸接触约束和非凸接触约束 时机器人操作的约束度，定义了接触状态两类自由度，以对不同接触状态下物体的约 束度和自由度进行量化分析。 ( 2 ) 研究机器人装配过程接触约束状态的规划乖i 推理方法。采用有效的算法和恰 9 华中理工大学博士学位论文 当的数据结构，建立了接触约束网络图的构造过程，以及操作中接触状态路径的规划 算法。对不同的接触状态转移路径。构造接触状态转移难度指标来衡量操作任务的实 现难度，以实现接触状态在装配操作过程中的获得、保持和转移。提出了求解实现装 配过程接触状态改变与转移的机器人有关运动参数的方法及其优化指标。 ( 3 ) 研究不确定性下机器人装配中接触约束状态的识别方法。在准静态条件下， 通过对传感不确定性进行建模，构造了无摩擦情形下接触状态可行性判别的线性规划 形式。在对摩擦效应的库仑定律进行多面锥的近似处理后，建立了摩擦情形下接触状 态可行性判别的线性规划