基于给定路径点的机械臂轨迹时间最优研究

摘要

随着机械制造业领域智能化程度的不断提升，人们对机械臂的需求不再是能够完成一定的任务，还要求其在保证工作质量的前提下提高工作效率和降低工作成本，因此对机械臂的运动时间、能量、精度和冲击等方面的研究已经成为机械臂研究的重点内容。本文主要对机械臂关节轨迹的规划方法及时间最短的优化方法展开研究。以下是具体的研究内容，主要分为三个部分。 (1)本文以PUMA560机械臂为研究对象，依据机械臂各关节的相关参数建立D-H坐标系，为机械臂后续数学模型的建立提供空间坐标定位支持。通过D-H坐标系建立机械臂运动学方程，并求解方程的正、逆解变换矩阵，为后续关节拟合函数的建立提供支持。 (2)深入研究了三次B样条曲线在机械臂轨迹规划方面的应用，基于轨迹规划的理论，对三次B样条曲线进行优化，实现了机械臂关节轨迹的实时规划。在MATLAB软件中完成关节空间中关节轨迹仿真，从仿真得出的各关节的位移、速度和加速度曲线可以看出，改进的三次B样条曲线规划出的关节轨迹的位移、速度和加速度均能很好的保持连续性，并且位移、速度曲线更加平滑，加速度曲线没有明显突变。关键是改进的三次B样条曲线拟合的关节轨迹通过中间所有关节点，克服了传统的三次B样条曲线拟合关节轨迹不经过中间关节点的缺陷，从而很好的提高了机械臂运行的精度，为工程上处理精度相对较高的机械臂任务提供了保障。 (3)为了提高机械臂的工作效率，本文采用遗传算法对关节轨迹进行优化，获取关节最优轨迹。通过对传统遗传算法的遗传算子和流程的改进，既保证了算法的全局搜索能力又提高了算法的收敛速度。在运动学参数的约束下，结合改进后的三次B样条曲线对关节轨迹进行优化，使轨迹规划的时间由最初的20秒减少到了13.51秒，优化效率达到32.5%，有效的提高了机械臂的工作效率。

目录

声明

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2机械臂轨迹规划研究现状

1.2.1 关节空间轨迹规划

1.2.2 直角坐标空间轨迹规划

1.3机械臂轨迹优化算法的研究现状

1.4论文的主要工作及各章安排

第2章 机械臂运动学分析

2.1引言

2.2机械臂位姿描述及齐次变换

2.2.1 机械臂空间位姿描述

2.2.2 空间坐标的齐次变换

2.3正运动学分析

2.3.1 机械臂连杆坐标系的建立

2.3.2 机械臂运动学方程的建立

2.4逆运动学分析

2.5本章小结

第3章 机械臂轨迹规划

3.1引言

3.2.1 轨迹规划的表示方法

3.2.2 关节空间轨迹规划的步骤

3.3.1 多项式插值算法

3.3.2 抛物线插值算法

3.3.3 样条曲线插值算法

3.4样条曲线拟合算法

3.4.1 B样条曲线拟合及改进

3.4.2 B样条曲线对比分析

3.5.1 关节参数及轨迹函数计算

3.5.2 机械臂末端轨迹仿真

3.5.3 机械臂关节轨迹仿真

3.6本章小结

第4章 机械臂轨迹优化

4.1引言

4.2时间最优数学描述

4.3遗传算法概述

4.3.1 遗传算法的基本原理

4.3.2 遗传算法的基本操作

4.3.3 遗传算法的基本要素

4.3.4 遗传算法的基本流程

4.3.5 遗传算法的不足

4.4.1 浮点编码法

4.4.2 适应度函数设计

4.4.3 遗传算子的改进

4.4.4 改进的算法流程

4.4.5 遗传算法迭代收敛对比分析

4.5改进遗传算法轨迹优化实例

4.6本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录