基于给定关键点的6-DOF机械臂轨迹规划研究

发布时间：2020-05-22 00:23

【摘要】：机器人具有效率高、重复机械动作和在恶劣环境中工作的能力,在经济生活、工业生产中获得广泛地应用。轨迹规划设计是机器人执行动作的重要组成部分,它决定机器人定位和精度运行效率。传统的轨迹规划方法使得工业机器人在上料时容易出现上料时间过长,以及机械臂振动造成上料位置不准确等问题。本论文以6自由度机械臂上料过程为研究对象,以给定关键点为基础(关键点通过多次示教的方法选取),研究了机械臂结构模型搭建、轨迹规划正逆解、轨迹插值方法、时间最优轨迹规划。通过此研究缩短了上料时间,同时以动力学参数作为优化约束来减少冲击与振动的影响,以保证上料准确性。本论文的贡献与创新主要表现在以下几个方面:(1)机械臂结构模型搭建。本文通过研究分析D-H参数方法,以相对于前一根连杆的转动角度作为下一根连杆转动角度的描述,同时结合下一根杆的长度以这两个数值来确定下一根相邻杆的位姿状态,然后依次类推完成整个机械臂的参数模型搭建。(2)轨迹规划正逆解。本文通过分析目前主流的三大正逆解研究方法,提出了适用于本研究的改进数值计算方法,并建立本文研究的算法,输入初始值后计算得到末端位姿正解和达到该末端位姿时各个关节的逆解,然后将计算出来的逆解自动与下一段轨迹规划的程序相连接,该方法相对于传统的计算方法在时间成本缩短到0.1s,计算误差控制在0.5%以内。(3)轨迹插值方法。本文分析了笛卡尔空间插值方法以及关节转动角度插值方法,并在关节位置插值方法的基础上通过仿真对比提出了适用于本研究的5-7-5分段多项式插值函数来进行数学建模,采用该分段函数作为插值函数的优点在于其既保留了低阶次函数计算简便性同时又获得了高阶次函数便于优化的特点,使得规划出来的轨迹更为平滑且方便控制。(4)时间最优轨迹规划。本文在前几段的研究过程中发现规划出来的轨迹虽然能满足工作需要,但是在满足机械性能(振动与冲击)的前提下时间方面还能进一步优化以减少能源浪费。经过分析对比本研究选择了计算速度快、计算优化率较高的复合形法作为优化算法,该方法针对约束个数较少的模型具有迭代快以及约束计算准确等优点,本文将前几段研究规划出来的轨迹规划函数以运动学参数(转动角度、转动速度、转动加速度等)作为约束,导入复合形法进行试验分析,最后得到的时间相对于初始值优化了16%左右,提高了生产效率,响应了绿色工业的号召。本研究以工业机器人抓取原材料作为试验分析工况来讨论轨迹规划问题。在机械臂经过示教确定关键点后能够快速高效的对机械臂运行轨迹进行规划,减少运行时间并且规划出来的轨迹操控性能较好;同时还能快速计算出逆解的值,在一定程度上为避障等问题打下研究基础。
【图文】：

示意图,坐标,示意图,齐次矩阵

图 2.1 坐标变化示意图Fig 2.1 Schematic diagram of coordinate changes上述，描述一个机器人需要 12 个参数，由于 12 个参数构成的，计算起来很复杂，因此人为加入 0 与 1 的数值使其构成齐次影响整个矩阵的表达，又使得整个矩阵的计算过程变得更加简述方法如下： =0001cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)ohohohzohohohyohohohxzxzyzzpyxyyyzpxxxyxzpT ···········这样一个齐次矩阵能够快速准确的表述出末端执行器或者任姿态。-H 参数表示法文可知，本文目前研究的机器人多是由多段连杆组合而成的，，

参数表示法

图 2.2 D-H 参数表示法Fig 2.2 D-H parameter representation = × × × ==××× 0001sinsincossincoscossincoscoscossinsincossin000000sincos00cossin01000000000100100100000100100100100000010010sincos00cossin00000011111111111111111jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjθαθααdαθαθααdαθθaααααaθθθθTR(z,θ)T(,,d)T(a,,)R(x,α)..（2.4）式(2.4)中，R 表示绕相应的轴转动θ 或i 1α 角度，T 表示沿对应的轴移动i 1a或者d长度，通过旋转与平移的变化使得两个连杆之间可以通过数学表达式的形式进行描述。在选取初始杆件之后用上述方法依次描述下一个连杆，这样整个机
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241

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