文档介绍：哈尔滨工业大学
硕士学位论文开题报告
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题 目：机器人宇航员双臂协调轨迹规划
院 （系） 机电工程及自动化
学科/专业 机械工程
导
师
徐**
研究
生
**
学
号
15S1530**
开题报告日期 泛应用于工业生产和生活中的，却是便于设计、控制和操作的单臂 机器人。
主要研究内容及研究方案
研究内容
为了确保机器人宇航员能够配合宇航员完成空间站的大部分操作任务，同 时保证其能独立完成部分精细操作，机器人宇航员的手臂采用了七自由度冗余 结构。而采用冗余结构的机械臂相比于常见的六自由度机械臂（如 PUMA 、
Stanford ），有着许多不可替代的优点，增强了机械臂在执行任务时的可靠性、 实用性，可以实现避障、容错和关节力矩优化。但同时也给机械臂的逆运动学 求解带来了麻烦，下面将对冗余机械臂的运动学进行详细的分析。
冗余机械臂建模
七自由度冗余机械臂的结构形式很多，每种特定的结构也都有自己独特的 优势和用途。为了方便机械臂的逆运动学求解，我们采用 S-R-S 形式的七自由 度冗余机械臂结构，如图所示。前三个关节交于一点，形成一个球关节 （sphere ），称作肩关节；后三个关节轴线也相交于一点形成一个球关节，称 作腕关节；第四个关节也就是肘关节，对其进行了偏置以便增加肘关节的运动 范围，进而增大整个人机系统的工作空间。
研究方案
机器人宇航员的研制包含机械部分、控制系统、视觉反馈以及地面遥操作 等一整套系统工程学问题。鉴于该项目涉及的学科广、难度大和任务多，本课 题主要负责机器人宇航员七自由度冗余手臂的参数化逆运动学求解，并进行双 臂协调操作的轨迹规划，最后搭建参数化的动力学模型进行联合仿真，验证算 法的正确性，模拟实现预期的典型操作任务。课题研究流程如下图所示：
预期目标
预期目标
预期目标是研制出仿生蛇形机器人完整样机，主要包括机械系统和嵌入式 控制系统。本课题预期实现下面四个目标和成果主要完成以下目标：
（1）完成蛇形机器人的蠕动步态运动，验证规划算法的正确性；
（2）完成蛇形机器人的蜿蜒运动步态，验证规划算法的正确性；
（3）可远程无线控制操作；
已完成的研究工作及进度安排
已完成的研究工作
2013 年 9 月到 2014 年 1 月，主要开展了机器人学的学****并复现了一篇 论文中提出的基于克利福德代数的六自由度机械臂逆运动学的解析解方法；了 解并掌握了目前针对七自由度冗余机械臂的参数化方法，为后面开展基于双臂 形角参数化的冗余手臂逆运动学求解奠定基础。
2014 年 1 月到 2014 年 5 月，主要开展了机器人话剧中海龟机器人的腿部 结构运动学分析与四足协调轨迹规划。考虑海龟爬行过程中，重心始终落在支 撑三角形内已达到身体的平衡性，规划了一种四足协调运动步态，实验证明得 到了较好的爬行效果。在此期间掌握了三次多项式插值、五次多项式插值和三 次样条插值的路径点插值方法，为后面的双臂协调操作轨迹规划做铺垫。
进度安排
本课题的研究时间为 2013 年 9月开始至 2015 年 7月份进行答辩，根据之 前的项目经验，结合自身学****科研攻关能力，针对课题研究计划，制定出 下面的研究进度：
（1）2013 年 9 月至 2014 年 1 月：开展了机器