文档介绍：多机器人协调与协作技术的研究
专 业： 机械电子工程
硕 士 生： 梁天喜
指导老师： 赵锦芝 副教授
摘 要
本文首先对国内外多机器人系统的研究状况、进展及出现的问题作了详细介
绍。在这基础之上，讨论了多机器人系统体系结构及组成。
在研究机器人运动学问题时，是三自由度机器人为研究对象，建立了运动学方
程，得出了机器人的正运动学正解（即机器人所在的初始位姿），推导求解了机器
人逆运动学逆解。在正逆解的基础上讨论了雅克比矩阵。然后利用 matlab 仿真软件
计算并绘制了机器人的工作空间，在这基础之上，分析了机器人末端的位姿，找出
了机器人末端点的可选择区域，最后对机器人的末端进行了工作路径的轨迹规划。
针对传统的人工势场法，指出了静态环境中的目标不可达问题及局部极小点的
问题，通过改变斥力势场函数来解决了目标不可达问题；通过引入机器人沿障碍物
边界线行进的策略，解决了局部极小点的问题。并将改进后的人工势场法应用于多
机器人与静态设置好的障碍物（机器人彼此之间视为障碍物）的避障算法中，通过
对不同方向的障碍物给予不同考虑，改善了静态环境中单个机器人的运动轨迹，使
得该轨迹更加接近最优路径。最后通过 Visual C++软件实现了相应的仿真结果。
本文介绍了 OpenGL 仿真软件的应用及其实现方法，利用 OpenGL 软件的绘制
函数对机器人进行了建模，并在 Visual C++和 OpenGL 环境下采用 MFC 面向对象
的程序设计方法建立了多机器人仿真平台。其次，详细介绍了 A 星寻路算法理论及
其在机器人领域中的应用，然后提出了一种基于行为的差分方向控制的方法，即将
机器人的地盘运动设置为全向运动，融入了两轮的思想，就是将其中一个机器人视
为***，另外一个机器人视为右轮，机器人的运动信息反映在两轮上。在这基础之
上，对多机器人系统中协作搬运杆件的问题展开了详细讨论，比如杆件在搬运过程
是否脱落或者与目标不一致。最后在已构建好的多机器人仿真平台上，融合了基于
行为的差分方向控制的方法和 A 星算法实现了多机器人搬运协作问题。这样不仅获
得了多机器人协作搬运的最优路径，还对单个机器人的行为进行了几何规划，解决
了机器人搬运过程中比如物体的脱落或者各机器人动作不一致的问题，并给出了机
I
器人在平面区域的运动方位信息。仿真结果验证了提出的协作算法的正确性和可行
性。这对机器人的设计、制造有一定的参考价值。
关键词：多机器人系统 A星算法 行为控制 OpenGL 仿真
II
Multi-robots Coordination and Collaboration
Technology of Research
Specialty: Mechanical & Electronic Engineering
Name: Liang Tian-xi
Supervisor: Associate Prof. Zhao Jin-zhi
Abstract
This essay give a detail introduction of robot system’s research situation, progress
and problems, based on this, discussing about structure and composition multi-robot
system.
When research the mov