基于改进双树RRT算法的串联操作臂避障运动规划研究
发布时间：2021-01-09 21:33
在“工业4.0”和“中国制造2025”双重社会背景下,制造业成为立国之本、兴国之器、强国之基。虽然串联机器人操作臂在制造业领域里已经得到广泛的作用,但是传统串联操作臂的避障运动规划严重依赖人工示教,因此存在着工作量大、自动化程度低等问题。本文提出改进双树RRT（Rapid-Exploration Random Tree）算法与Dijkstra算法结合实现串联操作臂的快速避障运动规划,并以Dobot三自由度和PUMA560六自由度操作臂为研究对象,对模型构建与运动学分析、碰撞检测、路径规划以及轨迹规划等内容展开了研究。论文的主要内容如下:首先,通过操作臂正逆运动学方程和Denavit-Hartenberg（D-H）参数法,在MATLAB Robotics Toolbox（机器人工具箱）中构建了Dobot和PUMA560串联操作臂的三维数学模型。基于Monte Carlo（蒙特卡罗）点云法和计算机图形学生成了各自的工作空间模型,并对操作臂和空间障碍物包络模型的干涉关系进行了数学描述。然后,针对传统规划算法运算效率较低的缺点,提出改进双树RRT避障路径规划算法,引入了扩展目标点变更、极致贪婪...
【文章来源】：河南工业大学河南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
操作臂MATLAB模型
2串联操作臂建模与运动学分析22（b）PUMA560操作臂图12操作臂工作空间2.5.1操作臂规划空间运动规划的任务是确定操作臂起止位姿之间的连续运动轨迹，并得到操作臂各个关节角度、角速度、角加速度关于时间的函数。轨迹和路径的区别在于，轨迹是操作臂末端的位姿、速度关于时间变化的曲线，而路径仅仅是与时间无关的空间路线。操作臂运动规划研究即可以在笛卡尔空间也可以在关节空间内进行。根据操作臂的自由度数以及具体应用工作场景需要选择不同的操作臂运动规划场景。笛卡尔空间就是以操作臂三维空间位置坐标作为坐标轴方向矢量的描述空间。笛卡尔空间下的操作臂运动规划，是操作臂末端运行路径位置及其姿态关于时间的函数，以及计算出的相应的线速度曲线。直线插补和圆弧插补是笛卡尔空间轨迹规划的两种基本方法，很多操作臂给定工作曲线都可以采用直线插补和圆弧插补算法，以直线和曲线两种形式联合逼近[52]。所谓关节空间，就是以操作臂关节角度作为方向矢量的工作空间[53]。关节空间运动规划的定义是操作臂关节角度关于时间的函数来表示操作臂的运动轨迹。操作臂各个关节到达指定位置时间相同，各个关节之间独立控制，互不干涉。操作臂末端点执行器的位置通过正运动学方程可以得出，操作臂可以通过反馈控制关节运动达到末端执行器期望位姿。2.5.2空间障碍物的描述操作臂应用场景具有非结构化、动态和复杂度高等特性，在工作环境内存在着静态或者动态的障碍物。在操作臂避障运动规划研究中，需要对空间中的障碍物进行模型简化，便于进行碰撞检测。碰撞检测是指判断操作臂运动过程中是否与障碍物干涉关系。由于一般障碍物多为不规则的物体，难以确定相互位置关系，故采用空间规则几何体方
仓?灏?绶?蚧?僮鞅鄣哪Ｐ停?芄桓?玫谋Ａ舨僮鞅鄣慕峁固匦浴Ｒ蛭?僮鞅?在运动过程中底座位姿不发生变化，所以只对剩下的连杆进行简化。空间障碍物的简化方法可以采用2.5.2节介绍的球体包络法和长方体包络法。这两种方法各有优缺点，对于球体包络法而言，其优点是障碍物模型建立方便并可以忽略障碍物的位姿影响，也就是在碰撞判断时只需要计算空间点和球心的距离的大小即可判断，该方法能够实现快速碰撞检测并且实现过程简单；其缺点是采用球体包络法会使原规划空间障碍物的体积变大，如此将大大减少操作臂的规划空间。图17长方体包络模型图长方体包络模型如图17所示，对于长方体包络法而言，其优点是可以克服球体包络法的缺点，较好的维持和原空间障碍物一样的空间，可以忽略障碍物的包络对碰撞检测的影响；但其受到位姿的限制，长方体的各个棱边必须平行于相应的坐标轴，本课题将这样的长方体称为正长方体。如果空间中的障碍物是一个倾斜的物体，可以将其采用
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进蚁群算法的机械臂路径规划[J]. 张敬贤,甘屹,孙福佳. 农业装备与车辆工程. 2019(07)
[2]基于GB＿RRT算法的机械臂路径规划[J]. 王兆光,高宏力,宋兴国,鲁彩丽. 机械设计与制造. 2019(07)
[3]串联抓取机械臂运动轨迹规划算法研究[J]. 蒋伟,袁亮. 机械设计与制造. 2019(07)
[4]人工势场法与A*算法结合的机械臂避障路径规划研究[J]. 孙泾辉,朱毅,卢军. 成都信息工程大学学报. 2019(03)
[5]取档机器人路径规划的改进Dijkstra算法[J]. 罗晓冬,张秋菊. 轻工机械. 2019(03)
[6]改进ABC算法的串联机械臂多目标优化[J]. 周晟,孔建益,侯宇,邹光明. 组合机床与自动化加工技术. 2019(05)
[7]基于专利视角的湖南省机器人产业发展态势分析[J]. 石海林,李维思,周海球,涂彦. 中国高新科技. 2019(09)
[8]蚁群算法在机器人路径规划中的应用研究[J]. 王宝琦,祁文昌,孙世清. 智能机器人. 2019(02)
[9]基于智能云系统的儿童陪伴机器人设计研究[J]. 侯杰,曾军妮,欧阳富曦. 流行色. 2019(04)
[10]工业机械臂的轨迹规划插补系统设计[J]. 游文辉,王秀锋,鲁文其,许鑫杰,张华. 机电工程. 2019(02)
博士论文
[1]显微外科手术机器人工作空间分析与综合[D]. 曹毅.天津大学 2004
硕士论文
[1]空间多自由度串联机械臂的避障运动规划方法研究[D]. 宗成星.合肥工业大学 2017
[2]MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计[D]. 王晓丽.西安科技大学 2009
[3]基于神经网络的自主吸尘机器人混合感知系统设计及避障规划[D]. 徐勇.浙江大学 2007
[4]基于DSP和FPGA的四关节实验室机器人控制器的研制[D]. 毛春利.中南大学 2005
本文编号：2967435
【文章来源】：河南工业大学河南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
操作臂MATLAB模型
2串联操作臂建模与运动学分析22（b）PUMA560操作臂图12操作臂工作空间2.5.1操作臂规划空间运动规划的任务是确定操作臂起止位姿之间的连续运动轨迹，并得到操作臂各个关节角度、角速度、角加速度关于时间的函数。轨迹和路径的区别在于，轨迹是操作臂末端的位姿、速度关于时间变化的曲线，而路径仅仅是与时间无关的空间路线。操作臂运动规划研究即可以在笛卡尔空间也可以在关节空间内进行。根据操作臂的自由度数以及具体应用工作场景需要选择不同的操作臂运动规划场景。笛卡尔空间就是以操作臂三维空间位置坐标作为坐标轴方向矢量的描述空间。笛卡尔空间下的操作臂运动规划，是操作臂末端运行路径位置及其姿态关于时间的函数，以及计算出的相应的线速度曲线。直线插补和圆弧插补是笛卡尔空间轨迹规划的两种基本方法，很多操作臂给定工作曲线都可以采用直线插补和圆弧插补算法，以直线和曲线两种形式联合逼近[52]。所谓关节空间，就是以操作臂关节角度作为方向矢量的工作空间[53]。关节空间运动规划的定义是操作臂关节角度关于时间的函数来表示操作臂的运动轨迹。操作臂各个关节到达指定位置时间相同，各个关节之间独立控制，互不干涉。操作臂末端点执行器的位置通过正运动学方程可以得出，操作臂可以通过反馈控制关节运动达到末端执行器期望位姿。2.5.2空间障碍物的描述操作臂应用场景具有非结构化、动态和复杂度高等特性，在工作环境内存在着静态或者动态的障碍物。在操作臂避障运动规划研究中，需要对空间中的障碍物进行模型简化，便于进行碰撞检测。碰撞检测是指判断操作臂运动过程中是否与障碍物干涉关系。由于一般障碍物多为不规则的物体，难以确定相互位置关系，故采用空间规则几何体方
仓?灏?绶?蚧?僮鞅鄣哪Ｐ停?芄桓?玫谋Ａ舨僮鞅鄣慕峁固匦浴Ｒ蛭?僮鞅?在运动过程中底座位姿不发生变化，所以只对剩下的连杆进行简化。空间障碍物的简化方法可以采用2.5.2节介绍的球体包络法和长方体包络法。这两种方法各有优缺点，对于球体包络法而言，其优点是障碍物模型建立方便并可以忽略障碍物的位姿影响，也就是在碰撞判断时只需要计算空间点和球心的距离的大小即可判断，该方法能够实现快速碰撞检测并且实现过程简单；其缺点是采用球体包络法会使原规划空间障碍物的体积变大，如此将大大减少操作臂的规划空间。图17长方体包络模型图长方体包络模型如图17所示，对于长方体包络法而言，其优点是可以克服球体包络法的缺点，较好的维持和原空间障碍物一样的空间，可以忽略障碍物的包络对碰撞检测的影响；但其受到位姿的限制，长方体的各个棱边必须平行于相应的坐标轴，本课题将这样的长方体称为正长方体。如果空间中的障碍物是一个倾斜的物体，可以将其采用
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进蚁群算法的机械臂路径规划[J]. 张敬贤,甘屹,孙福佳. 农业装备与车辆工程. 2019(07)
[2]基于GB＿RRT算法的机械臂路径规划[J]. 王兆光,高宏力,宋兴国,鲁彩丽. 机械设计与制造. 2019(07)
[3]串联抓取机械臂运动轨迹规划算法研究[J]. 蒋伟,袁亮. 机械设计与制造. 2019(07)
[4]人工势场法与A*算法结合的机械臂避障路径规划研究[J]. 孙泾辉,朱毅,卢军. 成都信息工程大学学报. 2019(03)
[5]取档机器人路径规划的改进Dijkstra算法[J]. 罗晓冬,张秋菊. 轻工机械. 2019(03)
[6]改进ABC算法的串联机械臂多目标优化[J]. 周晟,孔建益,侯宇,邹光明. 组合机床与自动化加工技术. 2019(05)
[7]基于专利视角的湖南省机器人产业发展态势分析[J]. 石海林,李维思,周海球,涂彦. 中国高新科技. 2019(09)
[8]蚁群算法在机器人路径规划中的应用研究[J]. 王宝琦,祁文昌,孙世清. 智能机器人. 2019(02)
[9]基于智能云系统的儿童陪伴机器人设计研究[J]. 侯杰,曾军妮,欧阳富曦. 流行色. 2019(04)
[10]工业机械臂的轨迹规划插补系统设计[J]. 游文辉,王秀锋,鲁文其,许鑫杰,张华. 机电工程. 2019(02)
博士论文
[1]显微外科手术机器人工作空间分析与综合[D]. 曹毅.天津大学 2004
硕士论文
[1]空间多自由度串联机械臂的避障运动规划方法研究[D]. 宗成星.合肥工业大学 2017
[2]MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计[D]. 王晓丽.西安科技大学 2009
[3]基于神经网络的自主吸尘机器人混合感知系统设计及避障规划[D]. 徐勇.浙江大学 2007
[4]基于DSP和FPGA的四关节实验室机器人控制器的研制[D]. 毛春利.中南大学 2005
本文编号：2967435
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