基于改进蚁群算法的六自由度机械臂避障路径规划

摘要

在“中国制造2025”的大背景下，我国制造业掀起了以机器人为核心，智能化、无人化的研究热潮。由于机械臂工作环境的特殊性和复杂性，如何实现其精准有效的避障路径规划是机械臂关键技术的难题，严重制约了机械臂的应用和发展。作为制造业中应用最广泛的机器人之一，六自由度机械臂具有结构复杂、动作灵活、工作可靠和通用性强等特点，具有很强的代表性，因此本文以ABB1410型号的六自由度机械臂为研究对象，分别对其运动学、碰撞检测方法以及改进蚁群算法的路径规划进行了研究，主要研究内容如下： 1）机械臂运动学分析。分析六自由度机械臂的结构特点，采用D-H法构建机械臂的运动模型，利用空间坐标变换原理推导得到机械臂的正、逆运动学方程，实现笛卡尔空间到关节空间的映射，为机械臂的避障路径规划研究奠定基础。 2）碰撞检测方法研究。针对机械臂在运动过程中的碰撞检测问题，分析了几种常用的碰撞检测方法，结合机械臂的结构特点，提出了基于圆柱体与长方体包络法的碰撞检测算法，通过求解机械臂和障碍物模型的几何关系，得到碰撞的依据，为机械臂的避障提供条件。 3）基于改进蚁群算法的机械臂路径规划算法研究。针对普通蚁群算法收敛速度慢、寻优结果差的缺点，提出了融合粒子群算法等一系列的改进策略，使改进后算法的综合性能得到提升。使用栅格法构建环境模型，实现改进蚁群算法的三维路径规划，并利用二次B样条曲线对规划路径进行平滑处理，提取路径节点，通过求解机械臂逆运动学得到相应的多组关节转角，再结合碰撞检测算法对其进行优化选择，最终确定最优关节转角的组合，实现机械臂的避障路径规划。 4）仿真与实验验证。利用Adams软件建立机械臂的虚拟样机，对本文所提出的避障路径规划方法进行仿真实验，并搭建机械臂实物样机进行动作演示。 经实验验证，文中提出的避障路径规划方法能够使机械臂在自身连杆与末端执行器都避开空间障碍物的情况下，实现最优路径的规划。