機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯-機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制的研究[中文5500字] 【中英文WORD】

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在過(guò)去的幾十年里大多數(shù)機(jī)器人的研究主要關(guān)注在移動(dòng)平臺(tái)或操作系統(tǒng)，并且在這兩個(gè)領(lǐng)域取得了許多可喜的成績(jī)。今天的新挑戰(zhàn)之一是將這兩個(gè)領(lǐng)域組合在一起形成具有高效移動(dòng)和有能力操作環(huán)境的系統(tǒng)。特別是服務(wù)性機(jī)器人將會(huì)在這一方面系統(tǒng)需求的增加。大多數(shù)西方國(guó)家的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)量顯示需要照顧的老人在不斷增加,盡管將有很少的工作實(shí)際的支持他們。這就需要增強(qiáng)服務(wù)業(yè)的自動(dòng)化程度，因此機(jī)器人能夠在室內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全的工作是最基本的。 圖.1 一臺(tái)由賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人組成的平臺(tái) 這項(xiàng)工作平臺(tái)用于如圖1所示，是由一個(gè)Segway與一家機(jī)器人制造商制造的RMP200輕機(jī)器人。其有一個(gè)相對(duì)較小的軌跡和高機(jī)動(dòng)性能的平臺(tái)使它適應(yīng)在室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)。庫(kù)卡工業(yè)機(jī)器人具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)臂和高有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動(dòng)操作。 當(dāng)控制移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)選擇是是否考慮一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)體。在參考文獻(xiàn)[1]和[2]中是根據(jù)雅可比理論將機(jī)械手末端和移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合在一起形成一個(gè)單一的控制系統(tǒng)。另一方面，這項(xiàng)研究發(fā)表在[3]和[4],認(rèn)為它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)是獨(dú)立的實(shí)體，但不包括兩者之間的限制條件,如延伸能力和穩(wěn)定性。 這種控制系統(tǒng)的提出是基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方法[5], [6]。它分為兩個(gè)層次，其中我們?cè)谳^低的水平，并考慮到移動(dòng)平臺(tái)作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，然后再以安全的方式結(jié)合在上層操縱者。在本文中主要的研究目的是展現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方法可以應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)械臂和使用各級(jí)協(xié)調(diào)行為的控制。 本文剩下的安排如下。第二部分介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其次是機(jī)械手末端移動(dòng)平臺(tái)的控制在第三第四部分講述。在第五部分我們?cè)诮Y(jié)束本文之前將顯示一作實(shí)驗(yàn)。然而, 首先與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)有關(guān)工作總結(jié)與方法將在在部分I-A提供。 A.相關(guān)工作 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)接近[5]，[6]為控制機(jī)器人提供一套動(dòng)作的框架，例如障礙退避和目標(biāo)捕捉。每個(gè)動(dòng)作通過(guò)一套一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的attractors和repellors來(lái)完成。這些通過(guò)向量場(chǎng)的簡(jiǎn)單的加法被結(jié)合在一起來(lái)完成系統(tǒng)的整體動(dòng)作。動(dòng)力系統(tǒng)的方法涉及到更廣泛的應(yīng)用勢(shì)場(chǎng)法[7],但具有一定的優(yōu)勢(shì)。這里勢(shì)場(chǎng)法的行為是由后場(chǎng)梯度形成的結(jié)果，行為變量，如航向和速度，可直接運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)控制的方法。 成本相對(duì)較低的計(jì)算與方法有關(guān)，使得它在動(dòng)態(tài)環(huán)境中在線控制適宜，允許它即使在相當(dāng)?shù)偷乃接邢薜挠?jì)算能力平臺(tái)[8]實(shí)施。傳感器的魯棒性在人聲嘈雜中顯示[9]和[10]其中一個(gè)是由紅外傳感器和麥克風(fēng)的結(jié)合，當(dāng)避障和目標(biāo)獲取時(shí)使用。盡管能解決各種各樣的任務(wù)，但它僅是一個(gè)局部的方法，為了其他的任務(wù)和使命級(jí)計(jì)劃(即參見(jiàn)[11])其他的方法應(yīng)該被釆用。 當(dāng)多行為被結(jié)合時(shí)，在[5]和[6]的缺點(diǎn)是由潛在的假的因子引起的。為了克服這個(gè)問(wèn)題[12]介紹了一種基于競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的行為比重。每個(gè)行為的影響是控制使用一個(gè)相關(guān)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，再加上定義的行為之間有競(jìng)爭(zhēng)力的相互作用，控制重物。如果所有的行為之間的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用是必需的，這種方法可以推廣到任意數(shù)n,行為，除了這樣一個(gè)最壞情況的復(fù)雜度 在現(xiàn)實(shí)世界中使用這種方法的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中可以找到[13]，[14]。[13]是只在有標(biāo)題方向的車(chē)輛上使用，而在[14]中航向和速度均得到控制。[15]提供了一個(gè)為速度性能簡(jiǎn)短的策略討論。 在[16]中提到動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅被用于平面移動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)也可以作為控制機(jī)械手工具。另外運(yùn)用產(chǎn)生極限環(huán)Hopf振蕩器動(dòng)力系統(tǒng)的更復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)也可被使用。 [17]展現(xiàn)出不同形狀的極限環(huán)是如何產(chǎn)生的，其可運(yùn)用于避障軌跡的生成。[18]中介紹到使用Hopf振蕩器產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)的軌跡,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手可以接住從桌子上面滾下來(lái)的球。 動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度機(jī)械手多余的動(dòng)作這一 點(diǎn)在[19 ]中得到論證。 II.總體結(jié)構(gòu) 我們整個(gè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。在賽格威平臺(tái)中為了控制移動(dòng)平臺(tái)，兩個(gè)低級(jí)別的性能被使用：一個(gè)用于目標(biāo)捕獲和另一個(gè)是避障。運(yùn)用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)作被混合在一起是為了做出移動(dòng)平臺(tái)希望得到的指定的移動(dòng)動(dòng)作。同樣，在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上目標(biāo)捕獲和機(jī)械手避障行為的融合給機(jī)器人收縮下達(dá)指令。當(dāng)目標(biāo)不在范圍內(nèi)，應(yīng)收回機(jī)械手到一個(gè)安全的位置，這是機(jī)械手縮回行為的目的。最后融合是以一個(gè)安全的方式把所有的控制結(jié)合在一起，這樣一來(lái)目標(biāo)捕獲和收回行為不互相干擾，另外移動(dòng)平臺(tái)在不開(kāi)始朝著新的目標(biāo)之前，移動(dòng)機(jī)械手巳被收回。 用、和分別代表機(jī)械手移動(dòng)、機(jī)械手捕獲和機(jī)械手收縮行為的影響，控制信號(hào)和通過(guò)(1)(2)移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手。 (1) (2) 其中( )是指控制輸入信號(hào)以控制在第三節(jié)中描述的平臺(tái)的左，右側(cè)車(chē)輪;和是在第四節(jié)描述的機(jī)械手關(guān)節(jié)速度。 障礙 動(dòng)作 運(yùn)動(dòng)結(jié)合 結(jié)合 目標(biāo) 設(shè)備 賽格威 障礙 操作結(jié)合 結(jié)合 目標(biāo) 庫(kù)卡 機(jī)器人 操作收回 圖.2.控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) A. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 這種競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)釆用的方法是以[12]為基礎(chǔ)的，除了附加參數(shù)用于控制在[14]中的轉(zhuǎn)換率。動(dòng)力系統(tǒng)釆用(3)因此給予: (3) 其中是b和r競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的參數(shù)，b是和b相互競(jìng)爭(zhēng)作用的參數(shù)。 1) 移動(dòng)：在移動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被加強(qiáng)；標(biāo)被捕獲時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被降低。這是通過(guò)(4)實(shí)現(xiàn)的。 (4) 其中,決定如何迅速的改變這種優(yōu)勢(shì)，是指到目標(biāo)的距離和是指移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)目標(biāo)所需的最小距離。 移動(dòng)的行為，沒(méi)有能力進(jìn)行互動(dòng)，并抑制其他行為，因此它的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用被設(shè)置為0。 2) 機(jī)械手捕獲目標(biāo)：A移動(dòng)平臺(tái)接近他的目標(biāo)時(shí)，機(jī)械手捕獲目標(biāo)的動(dòng)作應(yīng)該別加強(qiáng)。這樣的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將被定義為： (5) 激活距離必須大于來(lái)確保其行為被激活。此動(dòng)作沒(méi)有和其他的動(dòng)作有直接聯(lián)系，因此它的相互作用參數(shù)設(shè)置為0。 3) 機(jī)械手收縮：收回動(dòng)作應(yīng)該被激活當(dāng)對(duì)面目標(biāo)被捕獲之后，因此 (6) 要有一個(gè)非常小的過(guò)渡時(shí)間，這可以防止在同一時(shí)間活動(dòng)的機(jī)械臂捕獲和收縮動(dòng)作,因此，我們可以設(shè)置由于機(jī)械手收縮和移動(dòng)動(dòng)作的聯(lián)系，當(dāng)機(jī)械手原理自動(dòng)巡航裝置時(shí)我們希望能夠取消停止移動(dòng)。因此這種相互作用定義為： (7) 其中和，是機(jī)械手當(dāng)前和原始配置參數(shù)，是指目標(biāo)最近的距離和指定如何使相互作用迅速變化的參數(shù)。 III.移動(dòng)平臺(tái)的控制 該移動(dòng)平臺(tái)的控制，結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)[14]中表述的非常相似，但也有一些不同。剛開(kāi)始時(shí)目標(biāo)捕獲和避障指令被使用。緊接著除走廊和墻壁避障不包括在內(nèi)，伹將沿直線擴(kuò)展。第二個(gè)領(lǐng)域，不同的是這項(xiàng)工作的障礙是如何找出障礙密度的計(jì)算方法。具體的論述在III-D部分。 為了使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行導(dǎo)航。我們所使用的方法是基于參考文獻(xiàn)[20]中論述的方法，它運(yùn)用里程計(jì)和激光測(cè)距相結(jié)合對(duì)所在環(huán)境中地圖的主導(dǎo)線匹配測(cè)量。 該平臺(tái)控制編碼的使用方向：；速度：V，它在一個(gè)控制輸入系統(tǒng)的結(jié)果數(shù)的值是由兩部分組成，和，這里合并為 (8) 其中和是被Eq限制的。(3)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和相互作用在III-C中有詳細(xì)的描述。 作為控制輸入我們需要一個(gè)表達(dá)式對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的左右輪進(jìn)行控制，這里用和分別作為左，右側(cè)車(chē)輪的表達(dá)參數(shù)。要使獲得這些數(shù)據(jù)集成得到v，連同所需的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，車(chē)輪直徑和車(chē)輪之間的距離可以用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)計(jì)算控制輸入： (9) (10) 這里車(chē)輪需要的速度差被定義為: (12) A. 動(dòng)態(tài)目標(biāo)： 捕獲目標(biāo)動(dòng)作的基本動(dòng)力是: (13) (14) 其中和是吸引子的優(yōu)勢(shì)參數(shù)和表示運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)的方向。常數(shù)表達(dá)出機(jī)械手到目標(biāo)之間的距離和所需的速度關(guān)系。最后最大速度是指移動(dòng)平臺(tái)所允許的最大速度。 B. 障礙動(dòng)態(tài) 假定一個(gè)距離，方句參數(shù)表示機(jī)械手到第i個(gè)障礙的方向，在避障的動(dòng)力學(xué)中用公式（15) (16)表不如下： (15) (16) 其中 動(dòng)態(tài)參數(shù)包括三個(gè)要素：(一)障礙物的相對(duì)方向，(二)例系數(shù),其中根據(jù)距離決定衰減的程度。(三)另一個(gè)比例系數(shù)根據(jù)到障礙的方向而定的，并運(yùn)用保兩障礙間的attractor產(chǎn)生，如果機(jī)器人可以在確保安全距離DS下通過(guò)。我們可以在參考文獻(xiàn)[14]中看到具體的描述。 對(duì)于是表示調(diào)整速度轉(zhuǎn)向,但確保最小速度是被保留的。 運(yùn)用公式(17)獲取我們總結(jié)所有障礙的值： (17) C. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的運(yùn)算如上面所述公式(3)控制的。下面是最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和兩種動(dòng)作的相互作用。 1) 目標(biāo)：每當(dāng)一個(gè)目標(biāo)是存在的，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的參數(shù)就被設(shè)置為，否則設(shè)置為。 目標(biāo)動(dòng)作有能力影響和抑制避障動(dòng)作，目標(biāo)之間的距離和最近的目標(biāo)之間的比例足以確保向目標(biāo)移動(dòng)的動(dòng)作是無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。這時(shí)建模為： (18) 其中到最近障礙物的距離，是一個(gè)如何快速是動(dòng)作相互影響的增益常數(shù)，我們將開(kāi)始抑制避障時(shí)表示障礙和目標(biāo)之間的距離比。 2) 障礙：該障礙動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有公式（19)控制： (19) 其中是障礙密度在第三節(jié)-D被定義。 這種相互作用被定義為 (20) 第一部分抑制目標(biāo)動(dòng)作當(dāng)障礙濃度超過(guò)臨界值時(shí)，最后一部分可以確保這只是發(fā)生在由于的原因避障沒(méi)有被抑制。 D．障礙密度的計(jì)算 假設(shè)一系列的距離，，移動(dòng)平臺(tái)和障礙的密度，計(jì)算公式為 (21) 此處的定義不同于[14]中的。公式化的主要問(wèn)題是，我們不能區(qū)分物體的相對(duì)多遠(yuǎn)和一個(gè)對(duì)象相對(duì)多近。例如2米外有5個(gè)對(duì)象的密度定義成相同的密度與40厘米的距離之外的一個(gè)對(duì)象。根據(jù)指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)在場(chǎng)景中的單個(gè)對(duì)象永遠(yuǎn)不能導(dǎo)致超1。用于切換到避障動(dòng)作的臨界值將因此必須小于1，但一個(gè)場(chǎng)景中有多樣的障礙往往臨界值設(shè)置的更低。 此外，發(fā)現(xiàn)用代替參數(shù)調(diào)整更容易，因?yàn)槲覀兛梢钥紤]其作為距離的反比密度。這也造成了當(dāng)越來(lái)越接近一個(gè)障礙時(shí)密度増長(zhǎng)非常迅速，從而可以迅速迫使動(dòng)作改變。 IV.機(jī)械手的控制 我們將這個(gè)問(wèn)題分成兩部分： 1) 確定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，從當(dāng)前位置到目標(biāo)，同時(shí)避免障礙。 2) 計(jì)算所需刀具的逆運(yùn)動(dòng)的速度。 第二部分是一個(gè)很好的理解問(wèn)題，這項(xiàng)工作可以運(yùn)用在參考文獻(xiàn)[23]中描述的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法解決。這種方法包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的局限性，如關(guān)節(jié)的位置，速度和加速度的限制。此外，在此方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次優(yōu)化獲得方法已被證明表現(xiàn)很突出。 該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)受機(jī)器人控制的目標(biāo)和障礙動(dòng)作限制，為此和，是相關(guān)的。由于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的輸入需要一個(gè)六維旋轉(zhuǎn)速度，因此這些動(dòng)作必須設(shè)置一個(gè)變數(shù)，它可以集成所需的速度 (22) 其中，和是從目標(biāo)和避障中得到的。 A. 目標(biāo)動(dòng)作 到目標(biāo)行為的輸入是當(dāng)前和所需的工具轉(zhuǎn)換和。從這些我們可以計(jì)算出所需的六維速度螺桿。為避免要求不切實(shí)際的快速運(yùn)動(dòng)它的范圍是和，和代表最大允許的機(jī)床直線和旋轉(zhuǎn)速度。 計(jì)算 (23) 我們得到了當(dāng)前速度預(yù)期的變化。 B. 障礙動(dòng)作 作為輸入避障動(dòng)作的參數(shù)，釆用當(dāng)前笛卡爾速度，釆用最近的障礙為軌道，給出機(jī)械手和障礙物之間方向和距離。我們現(xiàn)在要根據(jù)到障礙物的方向和距離計(jì)算笛卡爾速度的變化，并分別用和表示。 1) 施力方叫：根據(jù)當(dāng)前機(jī)械手的速度V，我們計(jì)算向量相互兩者之間的角度為 (24) 在機(jī)械手尺寸方向變化的大小，用(25)計(jì)算 (25) 其中是repellor的數(shù)值，根據(jù)距離控制衰減，控制相對(duì)障礙之間的角度。被用于計(jì)算預(yù)期的機(jī)械手方向的改變： (26) 根據(jù)所有障礙物的作用，我們可以根據(jù)障礙物的方向計(jì)算機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的改變： (27) 2) 動(dòng)力學(xué)速度：對(duì)速度的動(dòng)態(tài)控制相似于Eq。障礙i的作是: (28) 其中。集合所有障礙的作用變成： (29) C. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 1) 目標(biāo)動(dòng)作：對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)當(dāng)目標(biāo)存在目標(biāo)動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)值設(shè)置為0.5，否則設(shè)置為-0.5。 當(dāng)?shù)侥繕?biāo)的距離和最近障礙物的距離之間的比例系數(shù)超過(guò)，目標(biāo)與障礙物之間的相互作用需要被重新設(shè)置，避障作用受到限制，這是有公式(30)實(shí)現(xiàn)： (30) 其中是機(jī)床和目標(biāo)的距離；是一個(gè)如何迅速改變值的增益系數(shù)。 2) 障礙：該障礙動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和在第三節(jié)-C表述的相同: (31) 用Eq (21)進(jìn)行密度計(jì)算，但用障礙和機(jī)械手之間的距離代替障礙和移動(dòng)平臺(tái)的距離。這種相互之間的作用用公式確定： (32) 其中到機(jī)械手最接近目標(biāo)時(shí)，有助于撤銷(xiāo)臂章動(dòng)作。 D. 收縮 收縮動(dòng)作是在關(guān)節(jié)處直接運(yùn)作的。通過(guò)定義，，其中是指機(jī)械手原始的收縮數(shù)據(jù)配置，我們可能計(jì)算關(guān)節(jié)速度為: (33) 其中是關(guān)節(jié)最大的速度，為attractor的作用參數(shù)。 V.實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)的目的主要是展示了移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手的協(xié)調(diào)。以前的工作已經(jīng)展示了動(dòng)力系統(tǒng)方面的方針與導(dǎo)航的能力通過(guò)一個(gè)環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人[13] [14]和指導(dǎo)一個(gè)機(jī)器人繞過(guò)障礙[16]。 (a)移向目標(biāo)(t=0s) (b)圖像伺服(t=28s) (c)移動(dòng)到目標(biāo)位置(t=40s) (d)完成動(dòng)作(t=72s) 圖.3移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。假定環(huán)境和目標(biāo)重物的角度是不變的。 在實(shí)驗(yàn)中使用的平臺(tái)如圖1所示，是由一個(gè)賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人與崇德PG70平行爪裝備組成。該平臺(tái)具有一個(gè)SICK LMS291定位和避障裝Unibrain Fire-iFireWire攝像頭的激光掃描儀，用于機(jī)械手瞄準(zhǔn)并抓起目標(biāo)。不幸的是我們沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)連接夾持器和控制目標(biāo)。因此，它僅僅是定位和準(zhǔn)備抓。但實(shí)際上從未關(guān)閉的抓手。由于控制框架我們使用了Microsoft Robotics Sludiol.5,這提供了一個(gè)從傳感器的各種輸入，到驅(qū)動(dòng)器輸出，并確保不同的控制算法同時(shí)運(yùn)作的方法。 該賽格威運(yùn)動(dòng)和大多數(shù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)是基于特定的笛卡爾坐標(biāo)定位目標(biāo)的。但是，一旦目標(biāo)在toolmourUed相機(jī)視線范圍內(nèi)，機(jī)械手依靠視覺(jué)輸入指導(dǎo)切換。第五部分A將會(huì)詳細(xì)闡述視覺(jué)伺服系統(tǒng)方法，緊接著在第五部分B中會(huì)提供測(cè)試結(jié)果。 圖.4.檢測(cè)使用微軟機(jī)器人SimpleVision方面的服務(wù)特征.黑白邊邊框表示特征識(shí)別。 A. 伺服系統(tǒng) 對(duì)于最終機(jī)械手的定位是使用視覺(jué)伺服系統(tǒng)方法獲得標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行定位的。特征檢測(cè)是根據(jù)Microsoft Robotics Studio的SimpleVision服務(wù)而測(cè)定的，獲得能夠識(shí)別顏色的斑點(diǎn)。在這些試驗(yàn)中獲得結(jié)果我們用綠色標(biāo)記標(biāo)出，如圖4所示。我們希望該機(jī)械手的方向是同定的，因此僅僅需要3個(gè)自由度（自由度）的位置應(yīng)該被相關(guān)的視覺(jué)輸入的影響。這些自由度兩個(gè)是由BLOB的定位控制，其中一個(gè)應(yīng)在圖像中心位置。最后的自由度是由BLOB的大小決定的。 B．測(cè)試結(jié)果 如圖3所示，移動(dòng)機(jī)械手的任務(wù)是移動(dòng)一個(gè)瓶子從圖像的桌子上移動(dòng)到右邊相對(duì)的較遠(yuǎn)的箱子里。機(jī)器人移動(dòng)、機(jī)械手收縮和目標(biāo)行為有關(guān)的數(shù)據(jù)關(guān)系可以在圖5中看到。 圖.5機(jī)械手運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)的比例系數(shù)表 首先移動(dòng)機(jī)械手收縮和移動(dòng)指令被激活引起移動(dòng)平臺(tái)移向目標(biāo)，同時(shí)手臂保持原始的配置裝態(tài)。經(jīng)過(guò)約7秒之內(nèi)達(dá)到目標(biāo)并獲得目標(biāo)信號(hào)，因此機(jī)械手收縮動(dòng)作被取消，機(jī)械手捕獲動(dòng)作被激活。不久后，Segway動(dòng)作也被取消，讓機(jī)械手拿起無(wú)干擾的目標(biāo)。然而機(jī)械手運(yùn)動(dòng)會(huì)異致賽格威漂移，因此要過(guò)一會(huì)知道經(jīng)過(guò)20s之后移動(dòng)平臺(tái)重新被激活，在這里移動(dòng)平臺(tái)又達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)的相對(duì)位置。視覺(jué)伺服指揮機(jī)械手到如圖3 (b)所示的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)約30秒鐘，瓶子應(yīng)該被抓手拾起的和新的目標(biāo)是給予，造成機(jī)械手收縮動(dòng)作被重新激活而機(jī)械手捕獲動(dòng)作被取消。同時(shí)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)動(dòng)作也被激活，但當(dāng)機(jī)械臂被收回時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)動(dòng)作會(huì)迅速被取消。完成之后控制移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到所需位置放置，進(jìn)而機(jī)械手被激活把目標(biāo)放到箱子里。 VI.結(jié)論 本文已經(jīng)介紹了如何使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法應(yīng)用于移動(dòng)操作。此文的主要結(jié)論包括兩個(gè)層次，其中競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)是用于移動(dòng)平臺(tái)的整體協(xié)調(diào)和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)以及避障和目標(biāo)獲取等動(dòng)作。該方法首先已被證實(shí)在模擬環(huán)境中，其次也通過(guò)實(shí)際工作的驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)用的系統(tǒng)是Microsoft Robotics Studiol.5 (MSRS)。該系統(tǒng)最初是模擬和參數(shù)的調(diào)整，釆用模擬器進(jìn)行?；谀M器的物理參數(shù)理想的轉(zhuǎn)向。整個(gè)MSRS是一個(gè)執(zhí)行工作有益環(huán)境的平臺(tái)。雖然控制是以20Hz被執(zhí)行的，但由于Windows XP的非實(shí)性，動(dòng)作間會(huì)有異常值出現(xiàn)。 ——本文出自2009年IEEE國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議論文集 參考文獻(xiàn) [1] H. 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在過(guò)去的幾十年里大多數(shù)機(jī)器人的研究主要關(guān)注在移動(dòng)平臺(tái)或操作系統(tǒng)，并且在這兩個(gè)領(lǐng)域取得了許多可喜的成績(jī)。今天的新挑戰(zhàn)之一是將這兩個(gè)領(lǐng)域組合在一起形成具有高效移動(dòng)和有能力操作環(huán)境的系統(tǒng)。特別是服務(wù)性機(jī)器人將會(huì)在這一方面系統(tǒng)需求的增加。大多數(shù)西方國(guó)家的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)量顯示需要照顧的老人在不斷增加,盡管將有很少的工作實(shí)際的支持他們。這就需要增強(qiáng)服務(wù)業(yè)的自動(dòng)化程度，因此機(jī)器人能夠在室內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全的工作是最基本的。 圖.1 一臺(tái)由賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人組成的平臺(tái) 這項(xiàng)工作平臺(tái)用于如圖1所示，是由一個(gè)Segway與一家機(jī)器人制造商制造的RMP200輕機(jī)器人。其有一個(gè)相對(duì)較小的軌跡和高機(jī)動(dòng)性能的平臺(tái)使它適應(yīng)在室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)。庫(kù)卡工業(yè)機(jī)器人具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)臂和高有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動(dòng)操作。 當(dāng)控制移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)選擇是是否考慮一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)體。在參考文獻(xiàn)[1]和[2]中是根據(jù)雅可比理論將機(jī)械手末端和移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合在一起形成一個(gè)單一的控制系統(tǒng)。另一方面，這項(xiàng)研究發(fā)表在[3]和[4],認(rèn)為它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)是獨(dú)立的實(shí)體，但不包括兩者之間的限制條件,如延伸能力和穩(wěn)定性。 這種控制系統(tǒng)的提出是基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方法[5], [6]。它分為兩個(gè)層次，其中我們?cè)谳^低的水平，并考慮到移動(dòng)平臺(tái)作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，然后再以安全的方式結(jié)合在上層操縱者。在本文中主要的研究目的是展現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方法可以應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)械臂和使用各級(jí)協(xié)調(diào)行為的控制。 本文剩下的安排如下。第二部分介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其次是機(jī)械手末端移動(dòng)平臺(tái)的控制在第三第四部分講述。在第五部分我們?cè)诮Y(jié)束本文之前將顯示一作實(shí)驗(yàn)。然而, 首先與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)有關(guān)工作總結(jié)與方法將在在部分I-A提供。 A.相關(guān)工作 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)接近[5]，[6]為控制機(jī)器人提供一套動(dòng)作的框架，例如障礙退避和目標(biāo)捕捉。每個(gè)動(dòng)作通過(guò)一套一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的attractors和repellors來(lái)完成。這些通過(guò)向量場(chǎng)的簡(jiǎn)單的加法被結(jié)合在一起來(lái)完成系統(tǒng)的整體動(dòng)作。動(dòng)力系統(tǒng)的方法涉及到更廣泛的應(yīng)用勢(shì)場(chǎng)法[7],但具有一定的優(yōu)勢(shì)。這里勢(shì)場(chǎng)法的行為是由后場(chǎng)梯度形成的結(jié)果，行為變量，如航向和速度，可直接運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)控制的方法。 成本相對(duì)較低的計(jì)算與方法有關(guān)，使得它在動(dòng)態(tài)環(huán)境中在線控制適宜，允許它即使在相當(dāng)?shù)偷乃接邢薜挠?jì)算能力平臺(tái)[8]實(shí)施。傳感器的魯棒性在人聲嘈雜中顯示[9]和[10]其中一個(gè)是由紅外傳感器和麥克風(fēng)的結(jié)合，當(dāng)避障和目標(biāo)獲取時(shí)使用。盡管能解決各種各樣的任務(wù)，但它僅是一個(gè)局部的方法，為了其他的任務(wù)和使命級(jí)計(jì)劃(即參見(jiàn)[11])其他的方法應(yīng)該被釆用。 當(dāng)多行為被結(jié)合時(shí)，在[5]和[6]的缺點(diǎn)是由潛在的假的因子引起的。為了克服這個(gè)問(wèn)題[12]介紹了一種基于競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的行為比重。每個(gè)行為的影響是控制使用一個(gè)相關(guān)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，再加上定義的行為之間有競(jìng)爭(zhēng)力的相互作用，控制重物。如果所有的行為之間的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用是必需的，這種方法可以推廣到任意數(shù)n,行為，除了這樣一個(gè)最壞情況的復(fù)雜度 在現(xiàn)實(shí)世界中使用這種方法的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中可以找到[13]，[14]。[13]是只在有標(biāo)題方向的車(chē)輛上使用，而在[14]中航向和速度均得到控制。[15]提供了一個(gè)為速度性能簡(jiǎn)短的策略討論。 在[16]中提到動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅被用于平面移動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)也可以作為控制機(jī)械手工具。另外運(yùn)用產(chǎn)生極限環(huán)Hopf振蕩器動(dòng)力系統(tǒng)的更復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)也可被使用。 [17]展現(xiàn)出不同形狀的極限環(huán)是如何產(chǎn)生的，其可運(yùn)用于避障軌跡的生成。[18]中介紹到使用Hopf振蕩器產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)的軌跡,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手可以接住從桌子上面滾下來(lái)的球。 動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度機(jī)械手多余的動(dòng)作這一 點(diǎn)在[19 ]中得到論證。 II.總體結(jié)構(gòu) 我們整個(gè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。在賽格威平臺(tái)中為了控制移動(dòng)平臺(tái)，兩個(gè)低級(jí)別的性能被使用：一個(gè)用于目標(biāo)捕獲和另一個(gè)是避障。運(yùn)用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)作被混合在一起是為了做出移動(dòng)平臺(tái)希望得到的指定的移動(dòng)動(dòng)作。同樣，在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上目標(biāo)捕獲和機(jī)械手避障行為的融合給機(jī)器人收縮下達(dá)指令。當(dāng)目標(biāo)不在范圍內(nèi)，應(yīng)收回機(jī)械手到一個(gè)安全的位置，這是機(jī)械手縮回行為的目的。最后融合是以一個(gè)安全的方式把所有的控制結(jié)合在一起，這樣一來(lái)目標(biāo)捕獲和收回行為不互相干擾，另外移動(dòng)平臺(tái)在不開(kāi)始朝著新的目標(biāo)之前，移動(dòng)機(jī)械手巳被收回。 用、和分別代表機(jī)械手移動(dòng)、機(jī)械手捕獲和機(jī)械手收縮行為的影響，控制信號(hào)和通過(guò)(1)(2)移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手。 (1) (2) 其中( )是指控制輸入信號(hào)以控制在第三節(jié)中描述的平臺(tái)的左，右側(cè)車(chē)輪;和是在第四節(jié)描述的機(jī)械手關(guān)節(jié)速度。 障礙 動(dòng)作 運(yùn)動(dòng)結(jié)合 結(jié)合 目標(biāo) 設(shè)備 賽格威 障礙 操作結(jié)合 結(jié)合 目標(biāo) 庫(kù)卡 機(jī)器人 操作收回 圖.2.控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) A. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 這種競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)釆用的方法是以[12]為基礎(chǔ)的，除了附加參數(shù)用于控制在[14]中的轉(zhuǎn)換率。動(dòng)力系統(tǒng)釆用(3)因此給予: (3) 其中是b和r競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的參數(shù)，b是和b相互競(jìng)爭(zhēng)作用的參數(shù)。 1) 移動(dòng)：在移動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被加強(qiáng)；標(biāo)被捕獲時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被降低。這是通過(guò)(4)實(shí)現(xiàn)的。 (4) 其中,決定如何迅速的改變這種優(yōu)勢(shì)，是指到目標(biāo)的距離和是指移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)目標(biāo)所需的最小距離。 移動(dòng)的行為，沒(méi)有能力進(jìn)行互動(dòng)，并抑制其他行為，因此它的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用被設(shè)置為0。 2) 機(jī)械手捕獲目標(biāo)：A移動(dòng)平臺(tái)接近他的目標(biāo)時(shí)，機(jī)械手捕獲目標(biāo)的動(dòng)作應(yīng)該別加強(qiáng)。這樣的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將被定義為： (5) 激活距離必須大于來(lái)確保其行為被激活。此動(dòng)作沒(méi)有和其他的動(dòng)作有直接聯(lián)系，因此它的相互作用參數(shù)設(shè)置為0。 3) 機(jī)械手收縮：收回動(dòng)作應(yīng)該被激活當(dāng)對(duì)面目標(biāo)被捕獲之后，因此 (6) 要有一個(gè)非常小的過(guò)渡時(shí)間，這可以防止在同一時(shí)間活動(dòng)的機(jī)械臂捕獲和收縮動(dòng)作,因此，我們可以設(shè)置由于機(jī)械手收縮和移動(dòng)動(dòng)作的聯(lián)系，當(dāng)機(jī)械手原理自動(dòng)巡航裝置時(shí)我們希望能夠取消停止移動(dòng)。因此這種相互作用定義為： (7) 其中和，是機(jī)械手當(dāng)前和原始配置參數(shù)，是指目標(biāo)最近的距離和指定如何使相互作用迅速變化的參數(shù)。 III.移動(dòng)平臺(tái)的控制 該移動(dòng)平臺(tái)的控制，結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)[14]中表述的非常相似，但也有一些不同。剛開(kāi)始時(shí)目標(biāo)捕獲和避障指令被使用。緊接著除走廊和墻壁避障不包括在內(nèi)，伹將沿直線擴(kuò)展。第二個(gè)領(lǐng)域，不同的是這項(xiàng)工作的障礙是如何找出障礙密度的計(jì)算方法。具體的論述在III-D部分。 為了使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行導(dǎo)航。我們所使用的方法是基于參考文獻(xiàn)[20]中論述的方法，它運(yùn)用里程計(jì)和激光測(cè)距相結(jié)合對(duì)所在環(huán)境中地圖的主導(dǎo)線匹配測(cè)量。 該平臺(tái)控制編碼的使用方向：；速度：V，它在一個(gè)控制輸入系統(tǒng)的結(jié)果數(shù)的值是由兩部分組成，和，這里合并為 (8) 其中和是被Eq限制的。(3)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和相互作用在III-C中有詳細(xì)的描述。 作為控制輸入我們需要一個(gè)表達(dá)式對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的左右輪進(jìn)行控制，這里用和分別作為左，右側(cè)車(chē)輪的表達(dá)參數(shù)。要使獲得這些數(shù)據(jù)集成得到v，連同所需的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，車(chē)輪直徑和車(chē)輪之間的距離可以用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)計(jì)算控制輸入： (9) (10) 這里車(chē)輪需要的速度差被定義為: (12) A. 動(dòng)態(tài)目標(biāo)： 捕獲目標(biāo)動(dòng)作的基本動(dòng)力是: (13) (14) 其中和是吸引子的優(yōu)勢(shì)參數(shù)和表示運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)的方向。常數(shù)表達(dá)出機(jī)械手到目標(biāo)之間的距離和所需的速度關(guān)系。最后最大速度是指移動(dòng)平臺(tái)所允許的最大速度。 B. 障礙動(dòng)態(tài) 假定一個(gè)距離，方句參數(shù)表示機(jī)械手到第i個(gè)障礙的方向，在避障的動(dòng)力學(xué)中用公式（15) (16)表不如下： (15) (16) 其中 動(dòng)態(tài)參數(shù)包括三個(gè)要素：(一)障礙物的相對(duì)方向，(二)例系數(shù),其中根據(jù)距離決定衰減的程度。(三)另一個(gè)比例系數(shù)根據(jù)到障礙的方向而定的，并運(yùn)用保兩障礙間的attractor產(chǎn)生，如果機(jī)器人可以在確保安全距離DS下通過(guò)。我們可以在參考文獻(xiàn)[14]中看到具體的描述。 對(duì)于是表示調(diào)整速度轉(zhuǎn)向,但確保最小速度是被保留的。 運(yùn)用公式(17)獲取我們總結(jié)所有障礙的值： (17) C. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的運(yùn)算如上面所述公式(3)控制的。下面是最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和兩種動(dòng)作的相互作用。 1) 目標(biāo)：每當(dāng)一個(gè)目標(biāo)是存在的，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的參數(shù)就被設(shè)置為，否則設(shè)置為。 目標(biāo)動(dòng)作有能力影響和抑制避障動(dòng)作，目標(biāo)之間的距離和最近的目標(biāo)之間的比例足以確保向目標(biāo)移動(dòng)的動(dòng)作是無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。這時(shí)建模為： (18) 其中到最近障礙物的距離，是一個(gè)如何快速是動(dòng)作相互影響的增益常數(shù)，我們將開(kāi)始抑制避障時(shí)表示障礙和目標(biāo)之間的距離比。 2) 障礙：該障礙動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有公式（19)控制： (19) 其中是障礙密度在第三節(jié)-D被定義。 這種相互作用被定義為 (20) 第一部分抑制目標(biāo)動(dòng)作當(dāng)障礙濃度超過(guò)臨界值時(shí)，最后一部分可以確保這只是發(fā)生在由于的原因避障沒(méi)有被抑制。 D．障礙密度的計(jì)算 假設(shè)一系列的距離，，移動(dòng)平臺(tái)和障礙的密度，計(jì)算公式為 (21) 此處的定義不同于[14]中的。公式化的主要問(wèn)題是，我們不能區(qū)分物體的相對(duì)多遠(yuǎn)和一個(gè)對(duì)象相對(duì)多近。例如2米外有5個(gè)對(duì)象的密度定義成相同的密度與40厘米的距離之外的一個(gè)對(duì)象。根據(jù)指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)在場(chǎng)景中的單個(gè)對(duì)象永遠(yuǎn)不能導(dǎo)致超1。用于切換到避障動(dòng)作的臨界值將因此必須小于1，但一個(gè)場(chǎng)景中有多樣的障礙往往臨界值設(shè)置的更低。 此外，發(fā)現(xiàn)用代替參數(shù)調(diào)整更容易，因?yàn)槲覀兛梢钥紤]其作為距離的反比密度。這也造成了當(dāng)越來(lái)越接近一個(gè)障礙時(shí)密度増長(zhǎng)非常迅速，從而可以迅速迫使動(dòng)作改變。 IV.機(jī)械手的控制 我們將這個(gè)問(wèn)題分成兩部分： 1) 確定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，從當(dāng)前位置到目標(biāo)，同時(shí)避免障礙。 2) 計(jì)算所需刀具的逆運(yùn)動(dòng)的速度。 第二部分是一個(gè)很好的理解問(wèn)題，這項(xiàng)工作可以運(yùn)用在參考文獻(xiàn)[23]中描述的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法解決。這種方法包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的局限性，如關(guān)節(jié)的位置，速度和加速度的限制。此外，在此方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次優(yōu)化獲得方法已被證明表現(xiàn)很突出。 該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)受機(jī)器人控制的目標(biāo)和障礙動(dòng)作限制，為此和，是相關(guān)的。由于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的輸入需要一個(gè)六維旋轉(zhuǎn)速度，因此這些動(dòng)作必須設(shè)置一個(gè)變數(shù)，它可以集成所需的速度 (22) 其中，和是從目標(biāo)和避障中得到的。 A. 目標(biāo)動(dòng)作 到目標(biāo)行為的輸入是當(dāng)前和所需的工具轉(zhuǎn)換和。從這些我們可以計(jì)算出所需的六維速度螺桿。為避免要求不切實(shí)際的快速運(yùn)動(dòng)它的范圍是和，和代表最大允許的機(jī)床直線和旋轉(zhuǎn)速度。 計(jì)算 (23) 我們得到了當(dāng)前速度預(yù)期的變化。 B. 障礙動(dòng)作 作為輸入避障動(dòng)作的參數(shù)，釆用當(dāng)前笛卡爾速度，釆用最近的障礙為軌道，給出機(jī)械手和障礙物之間方向和距離。我們現(xiàn)在要根據(jù)到障礙物的方向和距離計(jì)算笛卡爾速度的變化，并分別用和表示。 1) 施力方叫：根據(jù)當(dāng)前機(jī)械手的速度V，我們計(jì)算向量相互兩者之間的角度為 (24) 在機(jī)械手尺寸方向變化的大小，用(25)計(jì)算 (25) 其中是repellor的數(shù)值，根據(jù)距離控制衰減，控制相對(duì)障礙之間的角度。被用于計(jì)算預(yù)期的機(jī)械手方向的改變： (26) 根據(jù)所有障礙物的作用，我們可以根據(jù)障礙物的方向計(jì)算機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的改變： (27) 2) 動(dòng)力學(xué)速度：對(duì)速度的動(dòng)態(tài)控制相似于Eq。障礙i的作是: (28) 其中。集合所有障礙的作用變成： (29) C. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài) 1) 目標(biāo)動(dòng)作：對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)當(dāng)目標(biāo)存在目標(biāo)動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)值設(shè)置為0.5，否則設(shè)置為-0.5。 當(dāng)?shù)侥繕?biāo)的距離和最近障礙物的距離之間的比例系數(shù)超過(guò)，目標(biāo)與障礙物之間的相互作用需要被重新設(shè)置，避障作用受到限制，這是有公式(30)實(shí)現(xiàn)： (30) 其中是機(jī)床和目標(biāo)的距離；是一個(gè)如何迅速改變值的增益系數(shù)。 2) 障礙：該障礙動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和在第三節(jié)-C表述的相同: (31) 用Eq (21)進(jìn)行密度計(jì)算，但用障礙和機(jī)械手之間的距離代替障礙和移動(dòng)平臺(tái)的距離。這種相互之間的作用用公式確定： (32) 其中到機(jī)械手最接近目標(biāo)時(shí)，有助于撤銷(xiāo)臂章動(dòng)作。 D. 收縮 收縮動(dòng)作是在關(guān)節(jié)處直接運(yùn)作的。通過(guò)定義，，其中是指機(jī)械手原始的收縮數(shù)據(jù)配置，我們可能計(jì)算關(guān)節(jié)速度為: (33) 其中是關(guān)節(jié)最大的速度，為attractor的作用參數(shù)。 V.實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)的目的主要是展示了移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手的協(xié)調(diào)。以前的工作已經(jīng)展示了動(dòng)力系統(tǒng)方面的方針與導(dǎo)航的能力通過(guò)一個(gè)環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人[13] [14]和指導(dǎo)一個(gè)機(jī)器人繞過(guò)障礙[16]。 (a)移向目標(biāo)(t=0s) (b)圖像伺服(t=28s) (c)移動(dòng)到目標(biāo)位置(t=40s) (d)完成動(dòng)作(t=72s) 圖.3移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。假定環(huán)境和目標(biāo)重物的角度是不變的。 在實(shí)驗(yàn)中使用的平臺(tái)如圖1所示，是由一個(gè)賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人與崇德PG70平行爪裝備組成。該平臺(tái)具有一個(gè)SICK LMS291定位和避障裝Unibrain Fire-iFireWire攝像頭的激光掃描儀，用于機(jī)械手瞄準(zhǔn)并抓起目標(biāo)。不幸的是我們沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)連接夾持器和控制目標(biāo)。因此，它僅僅是定位和準(zhǔn)備抓。但實(shí)際上從未關(guān)閉的抓手。由于控制框架我們使用了Microsoft Robotics Sludiol.5,這提供了一個(gè)從傳感器的各種輸入，到驅(qū)動(dòng)器輸出，并確保不同的控制算法同時(shí)運(yùn)作的方法。 該賽格威運(yùn)動(dòng)和大多數(shù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)是基于特定的笛卡爾坐標(biāo)定位目標(biāo)的。但是，一旦目標(biāo)在toolmourUed相機(jī)視線范圍內(nèi)，機(jī)械手依靠視覺(jué)輸入指導(dǎo)切換。第五部分A將會(huì)詳細(xì)闡述視覺(jué)伺服系統(tǒng)方法，緊接著在第五部分B中會(huì)提供測(cè)試結(jié)果。 圖.4.檢測(cè)使用微軟機(jī)器人SimpleVision方面的服務(wù)特征.黑白邊邊框表示特征識(shí)別。 A. 伺服系統(tǒng) 對(duì)于最終機(jī)械手的定位是使用視覺(jué)伺服系統(tǒng)方法獲得標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行定位的。特征檢測(cè)是根據(jù)Microsoft Robotics Studio的SimpleVision服務(wù)而測(cè)定的，獲得能夠識(shí)別顏色的斑點(diǎn)。在這些試驗(yàn)中獲得結(jié)果我們用綠色標(biāo)記標(biāo)出，如圖4所示。我們希望該機(jī)械手的方向是同定的，因此僅僅需要3個(gè)自由度（自由度）的位置應(yīng)該被相關(guān)的視覺(jué)輸入的影響。這些自由度兩個(gè)是由BLOB的定位控制，其中一個(gè)應(yīng)在圖像中心位置。最后的自由度是由BLOB的大小決定的。 B．測(cè)試結(jié)果 如圖3所示，移動(dòng)機(jī)械手的任務(wù)是移動(dòng)一個(gè)瓶子從圖像的桌子上移動(dòng)到右邊相對(duì)的較遠(yuǎn)的箱子里。機(jī)器人移動(dòng)、機(jī)械手收縮和目標(biāo)行為有關(guān)的數(shù)據(jù)關(guān)系可以在圖5中看到。 圖.5機(jī)械手運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)的比例系數(shù)表 首先移動(dòng)機(jī)械手收縮和移動(dòng)指令被激活引起移動(dòng)平臺(tái)移向目標(biāo)，同時(shí)手臂保持原始的配置裝態(tài)。經(jīng)過(guò)約7秒之內(nèi)達(dá)到目標(biāo)并獲得目標(biāo)信號(hào)，因此機(jī)械手收縮動(dòng)作被取消，機(jī)械手捕獲動(dòng)作被激活。不久后，Segway動(dòng)作也被取消，讓機(jī)械手拿起無(wú)干擾的目標(biāo)。然而機(jī)械手運(yùn)動(dòng)會(huì)異致賽格威漂移，因此要過(guò)一會(huì)知道經(jīng)過(guò)20s之后移動(dòng)平臺(tái)重新被激活，在這里移動(dòng)平臺(tái)又達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)的相對(duì)位置。視覺(jué)伺服指揮機(jī)械手到如圖3 (b)所示的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)約30秒鐘，瓶子應(yīng)該被抓手拾起的和新的目標(biāo)是給予，造成機(jī)械手收縮動(dòng)作被重新激活而機(jī)械手捕獲動(dòng)作被取消。同時(shí)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)動(dòng)作也被激活，但當(dāng)機(jī)械臂被收回時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)動(dòng)作會(huì)迅速被取消。完成之后控制移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到所需位置放置，進(jìn)而機(jī)械手被激活把目標(biāo)放到箱子里。 VI.結(jié)論 本文已經(jīng)介紹了如何使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法應(yīng)用于移動(dòng)操作。此文的主要結(jié)論包括兩個(gè)層次，其中競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)是用于移動(dòng)平臺(tái)的整體協(xié)調(diào)和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)以及避障和目標(biāo)獲取等動(dòng)作。該方法首先已被證實(shí)在模擬環(huán)境中，其次也通過(guò)實(shí)際工作的驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)用的系統(tǒng)是Microsoft Robotics Studiol.5 (MSRS)。該系統(tǒng)最初是模擬和參數(shù)的調(diào)整，釆用模擬器進(jìn)行?；谀M器的物理參數(shù)理想的轉(zhuǎn)向。整個(gè)MSRS是一個(gè)執(zhí)行工作有益環(huán)境的平臺(tái)。雖然控制是以20Hz被執(zhí)行的，但由于Windows XP的非實(shí)性，動(dòng)作間會(huì)有異常值出現(xiàn)。 ——本文出自2009年IEEE國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議論文集 參考文獻(xiàn) [1] H. 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