基于A * 算法和三次样条的工业机械臂路径平滑性研究
发布时间：2021-03-23 21:46
为提高工业机械臂运动的平滑性,提出了一种基于A*算法和三次样条函数的路径规划方法。首先建立空间障碍物3维模型,应用A*算法规划出在障碍物环境下的可行路径。然后以该路径的关键节点,建立三次样条插值函数,生成平滑的机械臂避障路径。最后通过实例对关节不同时刻的位移、速度、加速度的仿真和对比,结果验证了该方法的有效性。
【文章来源】：机械设计与研究. 2019,35(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
托辊摩擦系数分析图▲
▲图8托辊摩擦系数分析图▲图9托辊摩擦系数分析图表3计算结果参数DIN模拟摩擦系数f测试模拟摩擦系数f带宽/mm18001800运距/m65506550带速/(m·s－1)55物料/(kg·m－3)原煤950原煤950运量/(t·s－1)42004200模拟摩擦系数0．0250．0168胶带强度PVG2500PVG2500功率3994．693195．75节省能耗—100万4结论通过对大带宽、长距离带式输送机模拟摩擦系数测试与运行能耗计算，得到以下结论。(1)研制了一种测试托辊模拟摩擦系数的实验装置，能在不同带宽、带速、托辊直径、托辊间距等多参数条件下对模拟摩擦系数进行测试，该试验台的研制填补了国内空白，为带式输送机的优化设计提供了试验依据。(2)通过该实验装置测得模拟摩擦系数比国家标准GB17119/GB10595降低了5%至10%，整机计算功率可降低20%，总成本可下降近100万，达到降低电机功率、减小拉紧力、降低生产成本的目标。参考文献［1］杨彩红，张东生，王俊光，等．承载段输送带压陷阻力理论研究［J］．机械科学与技术，2017(10):42－48．［2］杨彩红，毛君，李春林．输送带压陷阻力的研究［J］．煤炭学报，2010(1):149－153．［3］张海平，李军霞，黄镇，等．带式输送机输送带摩擦学行为研究［J］．煤炭工程，2016，48(2):109－111．［4］王玉超，林福严，袁文明，等．带式输送机托辊旋转阻力研究［J］．煤矿机械，2015，36(4):78－82．［5］苗宇洋．管状带式输送机运行阻力的分析与研究［J］．中国机械，2014，23:49－50．［6］毛君，杨彩红．带式输送机弯曲变形阻力理论研究［J］．力学与实践，2009，31(4):45－48．［7］杜锡刚，韩刚．圆管带式输
媸荡?巯嗟龋?耸钡?A*算法就不会拓展额外的节点，从而提高了算法的搜索速率。本文中估算函数h(n)为机械臂末端位置与目标节点之间的距离，即h(n)=(xn－xd)2+(yn－yd)2+(zn－zd)槡2(3)A*算法对避障路径搜索的过程中需要建立和维护两张表，开启列表open表和关闭列表closed表。open表中存放着未扩展的节点，也就是下一步要进行搜索的节点;closed表保存从open表中取出的适合机械臂避障路径要求的节点。基于A*算法机械臂避障路径规划流程如图2所示。▲图2基于A*算法机械臂避障路径规划流程图3三次样条插值函数的构造机械臂在实际工作中，为避免机械臂在急速运动过程中出现磨损，激起机械臂共振，就要保证位移、速度、加速度曲线的平滑性。首先取出A*算法在障碍模型中搜寻的路径节点，即关闭列表closed表中的节点，然后选择关键节点，对关键节点之间的线段使用三次样条函数平滑优化。三次样条函数定义:将区间［a，b］划分为数个区间:a=xo，x1，…，xn=b，三次样条函数s(x)满足以下条件:(1)s(x)在每个区间［xi－1，xi］是一个三次多项式;(2)s(x)在每一个内接点xi(i=1，2，…，n－1)上具有直到二阶的连续导数，即s(x)∈C2［a，b］;(3)s(x)在所有节点满足s(xi)=yi(i=1，2，…，n);由于s(x)在每个子区间［xi－1，xi］上的次数是不超过三次的多项式，故二阶导数s″(xi)是线性函数，对s″(xi)=Mi和s″(xi+1)=Mi+1进行线性插值，得到s″(x)=xi+1－xdiMi+x－xidiMi+1(4)式中:di=x
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进快速扩展随机树算法的双机械臂协同避障规划方法[J]. 陈波芝,陆亮,雷新宇,赵萍. 中国机械工程. 2018(10)
[2]挖掘机器人自主挖掘轨迹规划方法[J]. 翁文文,殷晨波,冯浩,曹东辉,王彤嫚. 机械设计与研究. 2018(02)
[3]基于时间最优的机械臂关节空间轨迹规划算法[J]. 殷凤健,梁庆华,程旭,陶志远. 机械设计与研究. 2017(05)
[4]双焊接机器人避障路径规划[J]. 汤彬,王学武,薛立卡,顾幸生. 华东理工大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]一种基于A*算法的空间多自由度机械臂路径规划方法[J]. 宗成星,陆亮,雷新宇,赵萍. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]基于五次NURBS的机械臂时间-能量-平滑性多目标轨迹优化[J]. 施祥玲,方红根,郭为忠. 机械设计与研究. 2017(01)
[7]基于遗传算法的机械臂实时避障路径规划研究[J]. 韩涛,吴怀宇,杜钊君,郑秀娟. 计算机应用研究. 2013(05)
[8]基于A*改进算法的机械臂避障路径规划[J]. 汪首坤,邸智,王军政,郭俊杰. 北京理工大学学报. 2011(11)
[9]基于A*算法的空间机械臂避障路径规划[J]. 贾庆轩,陈钢,孙汉旭,郑双奇. 机械工程学报. 2010(13)
[10]一种用于车辆最短路径规划的自适应遗传算法及其与Dijkstra和A*算法的比较[J]. 李擎,谢四江,童新海,王志良. 北京科技大学学报. 2006(11)
本文编号：3096477
【文章来源】：机械设计与研究. 2019,35(01)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
托辊摩擦系数分析图▲
▲图8托辊摩擦系数分析图▲图9托辊摩擦系数分析图表3计算结果参数DIN模拟摩擦系数f测试模拟摩擦系数f带宽/mm18001800运距/m65506550带速/(m·s－1)55物料/(kg·m－3)原煤950原煤950运量/(t·s－1)42004200模拟摩擦系数0．0250．0168胶带强度PVG2500PVG2500功率3994．693195．75节省能耗—100万4结论通过对大带宽、长距离带式输送机模拟摩擦系数测试与运行能耗计算，得到以下结论。(1)研制了一种测试托辊模拟摩擦系数的实验装置，能在不同带宽、带速、托辊直径、托辊间距等多参数条件下对模拟摩擦系数进行测试，该试验台的研制填补了国内空白，为带式输送机的优化设计提供了试验依据。(2)通过该实验装置测得模拟摩擦系数比国家标准GB17119/GB10595降低了5%至10%，整机计算功率可降低20%，总成本可下降近100万，达到降低电机功率、减小拉紧力、降低生产成本的目标。参考文献［1］杨彩红，张东生，王俊光，等．承载段输送带压陷阻力理论研究［J］．机械科学与技术，2017(10):42－48．［2］杨彩红，毛君，李春林．输送带压陷阻力的研究［J］．煤炭学报，2010(1):149－153．［3］张海平，李军霞，黄镇，等．带式输送机输送带摩擦学行为研究［J］．煤炭工程，2016，48(2):109－111．［4］王玉超，林福严，袁文明，等．带式输送机托辊旋转阻力研究［J］．煤矿机械，2015，36(4):78－82．［5］苗宇洋．管状带式输送机运行阻力的分析与研究［J］．中国机械，2014，23:49－50．［6］毛君，杨彩红．带式输送机弯曲变形阻力理论研究［J］．力学与实践，2009，31(4):45－48．［7］杜锡刚，韩刚．圆管带式输
媸荡?巯嗟龋?耸钡?A*算法就不会拓展额外的节点，从而提高了算法的搜索速率。本文中估算函数h(n)为机械臂末端位置与目标节点之间的距离，即h(n)=(xn－xd)2+(yn－yd)2+(zn－zd)槡2(3)A*算法对避障路径搜索的过程中需要建立和维护两张表，开启列表open表和关闭列表closed表。open表中存放着未扩展的节点，也就是下一步要进行搜索的节点;closed表保存从open表中取出的适合机械臂避障路径要求的节点。基于A*算法机械臂避障路径规划流程如图2所示。▲图2基于A*算法机械臂避障路径规划流程图3三次样条插值函数的构造机械臂在实际工作中，为避免机械臂在急速运动过程中出现磨损，激起机械臂共振，就要保证位移、速度、加速度曲线的平滑性。首先取出A*算法在障碍模型中搜寻的路径节点，即关闭列表closed表中的节点，然后选择关键节点，对关键节点之间的线段使用三次样条函数平滑优化。三次样条函数定义:将区间［a，b］划分为数个区间:a=xo，x1，…，xn=b，三次样条函数s(x)满足以下条件:(1)s(x)在每个区间［xi－1，xi］是一个三次多项式;(2)s(x)在每一个内接点xi(i=1，2，…，n－1)上具有直到二阶的连续导数，即s(x)∈C2［a，b］;(3)s(x)在所有节点满足s(xi)=yi(i=1，2，…，n);由于s(x)在每个子区间［xi－1，xi］上的次数是不超过三次的多项式，故二阶导数s″(xi)是线性函数，对s″(xi)=Mi和s″(xi+1)=Mi+1进行线性插值，得到s″(x)=xi+1－xdiMi+x－xidiMi+1(4)式中:di=x
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进快速扩展随机树算法的双机械臂协同避障规划方法[J]. 陈波芝,陆亮,雷新宇,赵萍. 中国机械工程. 2018(10)
[2]挖掘机器人自主挖掘轨迹规划方法[J]. 翁文文,殷晨波,冯浩,曹东辉,王彤嫚. 机械设计与研究. 2018(02)
[3]基于时间最优的机械臂关节空间轨迹规划算法[J]. 殷凤健,梁庆华,程旭,陶志远. 机械设计与研究. 2017(05)
[4]双焊接机器人避障路径规划[J]. 汤彬,王学武,薛立卡,顾幸生. 华东理工大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]一种基于A*算法的空间多自由度机械臂路径规划方法[J]. 宗成星,陆亮,雷新宇,赵萍. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]基于五次NURBS的机械臂时间-能量-平滑性多目标轨迹优化[J]. 施祥玲,方红根,郭为忠. 机械设计与研究. 2017(01)
[7]基于遗传算法的机械臂实时避障路径规划研究[J]. 韩涛,吴怀宇,杜钊君,郑秀娟. 计算机应用研究. 2013(05)
[8]基于A*改进算法的机械臂避障路径规划[J]. 汪首坤,邸智,王军政,郭俊杰. 北京理工大学学报. 2011(11)
[9]基于A*算法的空间机械臂避障路径规划[J]. 贾庆轩,陈钢,孙汉旭,郑双奇. 机械工程学报. 2010(13)
[10]一种用于车辆最短路径规划的自适应遗传算法及其与Dijkstra和A*算法的比较[J]. 李擎,谢四江,童新海,王志良. 北京科技大学学报. 2006(11)
本文编号：3096477
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