在运动螺旋与力螺旋的基础上,采用拉格朗日方程对可重构机器人进行动力学分析。将运动螺旋表示的指数积公式、雅可比矩阵,以及力螺旋及其变换应用到动力学的拉格朗日方程中,得到封闭显式的拉格朗日方程,可以分析复杂的受力情况,使可重构机器人系统的动力学计算形式简洁,易于程序化实现;便于进行构型的设计、校验以及控制系统的分析与综合。
讨论了多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的算法,结合数值人工势场提供的特征信息,采用遗传算法在关节空间进行分段路径规划,提高了计算效率和路径规划的质量,适合可重构机器人各种构型的路径规划。轨迹规划可以在笛卡尔空间进行,也可以在关节空间进行,但路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的,而关节驱动是在关节坐标中受控制的,因此提出了一种满足笛卡尔空间与关节空间混合约束的机器人平面曲线轨迹规划方法。根据规划的轨迹与要求的轨迹的偏离情况,非均匀地插入控制节点,通过增加有限的控制节点,来有效地控制偏差,减少计算量。
由于可重构机器人的关节设计成智能关节,以及其自由度、构型的多样性,控制系统采用分布式控制系统。整个控制系统由三个子控制层组成。第一层为路径规划控制层,实现作业过程规划和路径指定;第二层为轨迹规划层,规划各关节的时基关节变量,产生各关节的运动指令,通过 RS-485 网络,采用 Modbus 协议,分发给各关节控制器;第三层为关节控制层,接收上位机的指令,完成各关节的运动控制。设计了各关节的控制器及驱动器硬件电路,各关节采用基于 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现了带速度环和位置环的关节位置控制。最后通过可重构机器人系统的综合实验,验证了系统设计合理,能稳定可靠地运行,达到预期的目标。