针对涉核装置事故应急处置和作业需求,本文设计了一套核应急双臂搬运机器人运动控制系统。该控制系统包括耐辐照硬件、软件和双臂算法。硬件设计以耐辐照主控芯片为控制核心,搭载耐辐照相机和辐照剂量传感器来获取环境信息,使用控制器局域网总线(CAN)通讯控制液压系统运动,并通过各类输入/输出(I/O)采集机器人压力、流量、温度等信息。软件设计采用微控制器操作系统(μC/OS)实现机械臂算法控制、液压运动控制、数据采集与传输等功能。对双臂运动学算法进行建模研究,实现了双臂自动、平滑运动。实验表明,本文设计的控制系统具备较强的耐辐照能力,性能稳定,控制效果良好,能够满足核应急环境下双臂搬运机器人作业需求。

针对协同作业的双机械臂系统,提出一种不依赖于外部传感器和无需动力学建模的实时避障路径规划方法。基于运动学和混合包围盒法简化机械臂模型与障碍物,经投影相交法快速判断干涉的可能性,将碰撞检测转化为求解最短距离,再结合速度场以及添加虚拟约束点和考虑障碍物边界来改进传统人工势场法。最后,通过MATLAB-CoppeliaSim联合仿真验证包含静态和动态障碍物的碰撞检测算法。结果表明该碰撞检测算法适应动、静两种复杂障碍物环境,通用性较高,生成的避障路径能够跳出极小值和实现目标可达,有效保障人机交互及设备的安全性。

针对传统人工势场法(Artificial potential field method,APF)在6自由度双机械臂系统避障路径规划中容易陷入局部极小值这一缺陷,提出了一种改进APF与改进快速扩展随机树算法(Rapidly-exploring random trees,RRT)相结合进行避障路径规划的方法。分析了双机械臂的工作空间,确认了双臂干涉的可能性。对于双机械臂的路径规划,利用改进后的APF对主机械臂进行路径规划,并将其作为从机械臂的动态障碍物,为从机械臂规划运动路径;利用改进后的RRT自适应地选择临时目标点,解决了从机械臂路径规划时陷入局部极小值的问题;利用改进的APF对从机械臂的剩余路径进行了规划。仿真分析表明,改进后的APF-RRT算法能比传统算法更加快速准确地解决双臂系统的避障路径规划问题。

为保障双机械臂在公共活动空间的安全性,提出了一种准确高效的碰撞检测算法。采用球体和胶囊体包围盒简化机械臂模型,根据包围盒之间的相交情况判断是否发生碰撞。通过二次投影法实现快速检测,将包围盒投影为线段,若投影线段未重叠则包围盒未相交;若投影线段有重叠,则将问题进一步转化为空间点到点、点到线段、线段到线段的最短距离求解。通过仿真软件和实体机械臂实验平台对算法进行了分析,结果说明,该算法检测效率高,可直接植入机械臂控制器程序中,满足安全性需要。

Udwadia-Kalaba方程为多体系统的动力学建模提供了一种新的思路。以双机械臂协同搬运物体为研究对象,针对Udwadia-Kalaba方程建模过程中存在的获取解析形式的约束关系和数值解存在误差的问题,给出了一种具有广泛意义的约束关系,并对Udwadia-Kalaba方程进行了改进。仿真结果证明了提出方法的有效性。