六自由度机械臂的逆运动学求解与轨迹规划研究
本文关键词:六自由度机械臂的逆运动学求解与轨迹规划研究,,由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】:机械臂作为迄今为止人工智能程度最高的科技产品代表,其应用已经涉及制造业、医疗、农业等,机械臂的运动学分析与轨迹规划一直是科研工作者们的研究热点之一。本文以广州数控公司生产的六自由度工业机械臂作为研究对象,依据结构参数,建立了该对象的D-H模型,进行了正、逆运动学的分析,采用粒子群优化神经网络算法求解了机械臂的逆运动学解,在完成逆解求解的基础上,提出对称组合函数方法在关节空间下进行机械臂的轨迹规划。最终,通过在ROS、 MATLAB平台下搭建仿真模型,验证了所提方法的有效性。首先,为了对机械臂的运动学分析提供依据,介绍了机器人在空间坐标下的齐次变换等基本原理,分别阐述了ROS、 Robotics Toolbox仿真平台的特点,以及使用D-H标准方法进行建模的步骤和注意事项。其次,依据D-H标准方法和实际机械臂的结构参数,建立了六自由度机械臂的D-H坐标模型,确定了神经网络结构与优化流程,得到机械臂执行末端与关节变量之间的约束关系,使用粒子群优化神经网络算法求解了机械臂的逆运动学解。对比了不同算法进行逆运动学求解的优、缺点,分析了所提方法的优良性。并通过在ROS的rviz平台下搭建物理模型,设计通信GUI (Graphical User Interface,简称GUI),对所提算法进行了多平台物理仿真实验。最后,介绍了机械臂的轨迹规划原理,描述了各类轨迹规划方法在机械臂轨迹规划中的应用情况,分析了在机械臂轨迹规划过程中出现的问题,讨论了在关节空间、直角坐标空间下进行轨迹规划的方法与流程,对比了在不同坐标系下进行轨迹规划的优、缺点,为机械臂的运动仿真分析奠定了理论基础。着重介绍了在关节空间下使用对称组合函数进行轨迹规划的方法,通过逆运动学求得机械臂末端对应关节空间下的各关节角度(插值点),引入时间变量,使用对称组合函数对该关节运动的加速度函数进行插值,得到机械臂的各个关节位移、速度和加速度运动轨迹曲线。运用Robotics Toolbox工具箱验证了所提轨迹规划方法的有效性,并对比了不同轨迹规划方法,直观地反映出机械臂各杆件和末端执行器的运动状态,为机械臂的控制策略提供了理论依据。
【关键词】:机械臂 粒子群优化神经网络 逆运动学 组合函数 轨迹规划
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP241
【目录】:
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-11
- 第一章 绪论11-19
- 1.1 课题研究的背景及意义11
- 1.2 工业机械臂的发展状况11-14
- 1.3 机械臂逆运动学求解现状14-15
- 1.4 机械臂轨迹规划方法研究现状15-17
- 1.5 本文研究内容17-19
- 第二章 机器人空间坐标变换19-29
- 2.1 位姿在参考坐标系中的描述19-22
- 2.1.1 自由度概念19
- 2.1.2 参考坐标系19-20
- 2.1.3 位姿描述20-22
- 2.2 齐次坐标变换22-25
- 2.2.1 平移齐次坐标变换22-23
- 2.2.2 旋转齐次坐标变换23-24
- 2.2.3 通用旋转齐次坐标变换24-25
- 2.3 Denavit-Hartenberg参数表示法25-28
- 2.4 本章小结28-29
- 第三章 机械臂仿真模型平台简介29-37
- 3.1 开源操作系统ROS简介29-33
- 3.1.1 发展历史与设计目标29-30
- 3.1.2 ROS的体系结构30-33
- 3.1.3 ROS的主要特点33
- 3.2 ROS常用功能33-35
- 3.2.1 可视化工具rviz33-34
- 3.2.2 坐标变换系统tf34-35
- 3.2.3 物理仿真环境gazebo35
- 3.3 Robotics Toolbox工具箱简介35-36
- 3.4 本章小结36-37
- 第四章 机械臂逆运动学的智能优化算法求解研究37-50
- 4.1 六自由度机械臂运动学的分析37-41
- 4.1.1 运动学模型建立37-39
- 4.1.2 正运动学39-41
- 4.2 智能优化算法求解逆运动学41-45
- 4.2.1 粒子群算法原理41-42
- 4.2.2 神经网络结构与适应度函数42-44
- 4.2.3 优化求解流程44-45
- 4.3 仿真验证及分析45-49
- 4.4 本章小结49-50
- 第五章 机械臂的运动轨迹规划与仿真研究50-64
- 5.1 轨迹规划综述50-54
- 5.1.1 基本原理50-52
- 5.1.2 关节空间的轨迹规划描述52-53
- 5.1.3 直角坐标空间的轨迹规划描述53-54
- 5.2 机械臂轨迹规划方法研究54-59
- 5.2.1 多项式插值的轨迹规划方法54-55
- 5.2.2 三次B样条函数曲线的轨迹规划方法55-57
- 5.2.3 组合函数的轨迹规划方法57-59
- 5.3 基于组合函数的轨迹规划仿真实验59-63
- 5.3.1 运动模型建立与仿真59-62
- 5.3.2 轨迹规划方法结果对比62-63
- 5.4 本章小结63-64
- 总结与展望64-65
- 参考文献65-69
- 攻读学位期间发表论文69-71
- 致谢71
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