六轴机器人奇异点规避与轨迹规划研究

发布时间：2020-07-12 00:15

【摘要】：随着国家提出“中国制造2025”计划,中国的机器人技术与产业得到了迅速发展。机器人越来越成为企业在产品生产中必不可少的关键设备,同时对机器人的各项功能要求也越来越高。其中,机器人运动过程中的自动避障处理与奇异点规避一直是机器人领域的研究热点。工业机器人在运动过程中,常由于障碍物的存在造成无法完成既定轨迹;同时奇异点区域是多关节串联机器人无法避免的某些特定区域,在工程应用中极其容易发生生产事故。本文基于避障与奇异点问题进行了一定的理论研究,主要研究内容如下:(1)根据课题内容,分析了国内外工业机器人发展现状及趋势,重点阐述机器人避障与奇异点规避方面的研究成果及不足,在此基础上指出进一步开展机器人避障与奇异点规避相关理论研究的必要性。(2)文章以埃夫特某型机器人为例,利用说明手册得到相应参数,确定机器人的D-H参数表。求解机器人运动学正解与逆解,具体包括机器人坐标系的空间变换以及连杆参数之间的相互关系,着重分析了机器人运动学逆解中的多解问题,为后面的机器人运动规划与奇异点分析奠定基础。(3)针对机器人避障问题,结合当前在轨迹规划领域应用较为广泛的强化学习算法,提出基于马尔科夫模型与贪婪决策相结合的智能算法。通过选取适合的状态转移函数、报酬函数,构建出算法的详细流程图,令机器人在实现基本避障目的的同时,也实现运动路径最短化。最后在MATLAB软件上实现机器人的二维及空间模拟仿真。(4)针对多关节串联机器人的奇异点问题,首先根据D-H运动学参数表及连杆几何参数,计算连杆间的速度传递关系,即从基坐标系到末端的速度转换及末端到基坐标系的逆解计算。着重利用雅可比矩阵分析奇异点出现的原因,最后提出基于马尔科夫模型的奇异点规避方法。通过理论推导和仿真验证,保证了在奇异区域附近,机器人能够较平稳的过渡。(5)搭建机器人仿真实验平台,通过测量障碍物与机器人位置关系,对机器人进行运动避障及奇异点规避综合仿真实验,验证算法的有效性。最后,在本文研究的基础上讨论了未来可能的研究方向与研究方法,并总结作者自身在本次论文撰写中存在的不足。
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

回路图,机器人,回路,机械臂

由关节转角数量决定。在闭环运动链中，由于机械结构对地面支撑作用，导致逡逑整体刚度较大、运动稳定性更高，但因为闭环约束导致关节数冗余，在末端灵逡逑活性方面不及串联机器人。如图１－２所示，为机器人基本控制回路，借助ＴＣＰ／ＩＰ逡逑通讯协议，通过三次握手建立控制器与机器人的联系；利用ｅｔｈｅｒｃａｔ总线，实逡逑现信息传输与即时通讯。逡逑＂ｒ＃＞ｒ逡逑■逦？＿逡逑图１－１工业机器人基本机械结构逡逑控制＜■？＿丨丨旧邋■丨丨丨丨丨丨＾逦执行器｜逡逑Ｖ逦Ｉ逡逑Ｌ—传感器邋＿逦ＩＩ＿＿丨＿丨——Ｊ逡逑图１－２机器人基本控制回路逡逑在多关节机器人中，机械臂的任务是满足腕部定位的需求，而腕部是满足逡逑机械臂末端姿态角的需求。出于生产实际要求，将机器人分为笛卡尔型、圆柱逡逑型、球型、ＳＣＡＲＡ型、拟人型［７＞。逡逑如图１－３所示，笛卡尔型机械臂的几何结构是由三个移动关节实现，且三逡逑轴相互垂直，因为这种结构具备良好的机械刚性，所以机械腕部在工作空间中逡逑的定位精度很高［８］。但是该型号机械臂的灵活性较差，若实现对目标物的操纵，逡逑需要从侧面接近目标，无法遵循最短路径原则实现机械路径的最优化。逡逑３逡逑

工业机器人,机械结构

圆柱形,机器人,机械臂,拟人

安徽工程大学硕士学位论文逡逑图１－３笛卡尔机器人逡逑如图１－４所示，为圆柱型机械臂。基本结构与笛卡尔机械臂大致相似，但逡逑在第一轴的选取上有较大区别。在圆柱型机械臂中，第一轴结构采用旋转关节，逡逑使得在其工作区间内，能够按照圆柱坐标进行运行。由于圆柱型机械结构为机逡逑械本体提供较好的刚性支撑和良好的定位精度，因此该型号机械臂主要用于平逡逑稳运输大型物体。逡逑＜＾＞逡逑图１－４圆柱形机器人逡逑如图１－５所示，为拟人型机械臂。其几何结构主要由若干个转动关节组成，逡逑其中关节１的旋转轴线通常需要垂直于水平面［９］。由于拟人型关节机器人机械逡逑结构与人类手臂关节很相似，因此较笛卡尔机械臂等，拟人型机械臂是最为灵逡逑活的一种。另一方面，因为拟人型机械手的自由度与关节数目具有对应性，因逡逑此

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