论文摘要：串并联双机器人合作的优化与控制研究

串联机器人和并联机器人在工业生产、航空航天、辅助医疗等行业均有着日益广泛和深入的研究与应用。单个机器人承载能力、工作空间、灵活度等方面的局限性促使了多机器人协作系统的诞生，并迅速成为主流趋势之一。本文以实现双机器人的协同合作与任务分配为目的。先对单个的串联机器人和并联机器人的运动特性、工作空间、机构优化分别进行了研究，接着探讨了双机器人的协同合作问题，最后提出了一种新型串并联双机器人联合作业系统，并对此系统的任务分配策略及实现方法进行了整体设计和优化。首先对单个的串联机器人Motoman HP-3和并联机器人Stewart进行了运动学和动力学分析。其中串联机器人利用“二步法”实现运动学逆解，使得逆解结果的筛选更为简单有效；对并联机器人进行了位置、速度、加速度的逆解分析及仿真，而后采用“三点坐标法”实现其运动学正解，解算过程仅仅引入笛卡尔坐标，有效降低计算复杂度，同时保证了计算精度。其次，对串联机器人工作空间求解提出了一种曲面包络叠加计算方法，将整体自由度分为若干少自由度部分，选取各部分工作参考点，用曲面包络法计算各参考点边界曲面，再将各边界曲面叠加，最终获得完备工作空间；对并联机器人，依据对称同态定理，通过机构学分析进行基于任务的工作空间求解。仿真结果表明所用方法可有效计算得到机器人的完备工作空间，求解简单、直观。然后对单个机器人进行了机构学分析和主要机构参数的优化。其中对串联机器人提出了一种基于工作空间和能耗相结合的综合指标作为目标函数，利用遗传算法对机构参数进行优化；对并联机器人提出了一种基于工作空间分析的连杆长度优化策略，通过分析约束方程及驱动方程得到期望灵活工作空间，而后构造目标函数，以空间几何约束为依据进行计算和分析，最终得到优化后的连杆长度有效值。仿真结果表明所用方法获得了机器人连杆长度的有效良性取值范围。接着，在前面几章的基础上，对机器人的本体控制问题进行了分析。针对串联机器人关节驱动电机在常规PID控制下无法同时满足抑制超调及快速响应的问题，引入模糊滑模算法设计控制器成功了解决此问题，且消除了普通滑模的抖振，增强了系统鲁棒性；针对并联机器人Stewart关节驱动液压缸的非线性和一般动力学模型的实时正解计算量过大的问题，采用设定参考工作点、并引入滑模变结构算法对非参考工作点的偏差进行补偿的思路，设计基于简化动力学模型的控制器，大大降低计算复杂度，同时不影响实时性和控制效果。仿真和实验结果证明了所用方法的有效性和优越性。最后提出了一种新型串并联双机器人联合作业系统，由串联机器人Motoman、并联机器人Stewart和中央控制器等组成；针对此系统提出了一种新型双机器人任务分配策略，将双机器人的联合运动分为四种合作模式；基于此合作模式，采用蚁群优化算法(ACO)对双机器人的系统级任务分配进行了方法设计和整体优化，先后引入蚁群优化中较为积极有效的两种算法——蚁群系统（ACS）和最大最小蚂蚁系统（MMAS）作为任务分配的优化策略，并在MMAS中加入局部搜索来进一步优化路径构建过程中得到的局部最优解。仿真和实验结果证明，蚁群优化能够通过积极的路径探索最终获得高质量的最优解，从而生成理想的双机器人协调控制及任务分配方案。

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