合作需求规划框架下多机器人全局时空最优协调控制

本课题拟结合非线性规划理论在合作需求规划框架下，研究工业环境中沿特定路径且考虑动力学因素的多机器人系统全局时空最优协调控制。把数学规划方法已取得的成果及其思想方法运用到多机器人协调规划中，结合传统机器人控制技术，为多机器人协调控制在工业环境实际应用提供一种新的研究方法。具体为：用合作需求规划方法研究适合车间环境下多机器人合作需求规划流程，以寻求多机器人协作的利益最大化；拟采用二阶锥规划算法和内点算法计算一对空间对象的最小距离，确定多机器人碰撞区域；建立用于协调具有二重积分动力学的多机器人系统的混合整数非线性规划模型；探索混合整数非线性规划模型的有效解，以获得多机器人系统的全局最优协调控制方法。课题的成功研究将为工业现场环境下全局时空最优的多机器人协调控制规划提供新方法。因此，本研究课题不但具有重要的科学研究意义，而且具有极高的工程应用价值。

多机器人系统通过机器人与机器人之间的合作与协调使系统工作能力提升、柔性更强、鲁棒性更好，是目前机器人学领域的研究热点、难点。本项目深入研究高层任务规划需求和低层运动协调控制规律及方法提出具有三层结构的新合作需求规划框架；结合传统机器人控制技术，采用解耦式的多机器人协同方法，基于线性与非线性规划理论在该框架下研究车间现场环境中沿特定轨迹且考虑运动学、动力学因素的多机器人系统的全局时空最优协调控制，为多机器人协调控制在工业环境实际应用提供一种新的研究方法。首先，提出基于笛卡尔-关节空间-灵巧度的多机器人任务分配评价标准及任务分配机制，在新合作需求规划框架下研究适合车间环境的多机器人合作需求规划流程，处理多机器人系统中各类信息流，以多机器人协作的利益最大化为目标规划单个机器人的工作任务。其次，在满足作业工艺要求下基于CAD导航规划单个机器人末端轨迹，规划单个机器人满足其运动学、动力学，与已知环境无碰撞的位形空间最优轨迹。最后，研究空间多体对象的碰撞检测和接近查询方法及规则，提出适用于铰接模型的基于混合包围体层次树的并行碰撞检测算法和基于二阶锥规划的超二次曲面接近查询算法，确保共享工作空间内多机器人系统可能碰撞信息的获取。通过推导多机器人系统无碰撞的必要条件和最优协调的充分条件，应用延时启动的时空置换策略，建立多机器人无碰撞最优协调的混合整数线性规划模型并分析模型复杂度与可解性，实现多机器人系统的避障与最优协调。本项目分别开发基于OpenGL和Matlab的多机器人仿真环境并对多机器人协调最优算法模型进行验证、修正；开发上位机控制软件并在实验环境下模拟工业现场条件搭建多机器人协调控制实验平台，验证上述研究的多机器人协调规划算法的正确性、合理性。本项目给出考虑动力学情况下，沿特定轨迹运动，在工业环境下实现多机器人无碰撞协调控制在时空上全局优化的数学规划模型及其有效解，形成一套工业环境下多机器人协调运动规划方法的理论研究体系和评价指标。