仿人服务机器人手臂运动轨迹规划研究

摘要

随着科学技术的发展进步，仿人服务机器人更多的参与到人类生活中，人们对机器人的要求也越来越高，从能够实现常规的PTP运动(点对点运动)和简单CP运动(直线运动和圆弧运动)，到需要能够沿特定的轨迹实现快速、准确、平稳地规划运动。其中，机器人手臂是一个多自由度、结构复杂、强耦合的非线性系统。因此，实现沿特定轨迹快速平稳运行是仿人服务机器人研究领域的热点与难点之一。
　　本文在收集、整理国内外大量相关文献资料的基础上，对仿人服务机器人的轨迹规划方法和轨迹生成进行研究，通过实验进行验证。其论文的主要内容如下：
　　（1）本文对仿人服务机器人的研究发展现状进行简要介绍，通过简化机械臂几何模型，采用D-H参数表法描述机械手臂各关节的几何关系，建立正运动学模型；通过解析法，进行逆运动学问题的求解，为机器人手臂运动轨迹规划提供理论基础。
　　（2）分析机器人手臂快速动态作业轨迹规划的流程，介绍当前轨迹规划的常用两种规划方法：关节空间的轨迹规划和笛卡尔空间的轨迹规划。关节空间轨迹规划主要包括三次多项式差值、五次多项式差值和抛物线过渡的线性段差值；笛卡尔空间轨迹规划主要包括直线插补和圆弧插补。
　　（3）由于笛卡尔空间轨迹法计算量比较大，不能保证所有轨迹点均在工作范围内。线性段函数差值关节角速度、角加速度在起始点、终止点不连续等缺点，我们研究采用三次样条差值算法在关节空间进行轨迹规划得到经过该型值点的轨迹曲线。通过仿真实验结果发现，关节角位移，角速度曲线大体上连续、平滑，但是关节角加速度在某些点上会出现尖角，影响机器人运动的稳定性。根据B样条形成轨迹曲线对时间的一阶、二阶导数连续，关节位移变化率小及局部支撑性的特点，即使B样条轨迹曲线中间某个点的值发生一点误差对整段轨迹规划影响不大。因此，采用了四阶三次B样条对机械手臂关节运动进行轨迹规划，得到了满足约束条件的连续、平滑的轨迹曲线。
　　（4）根据机器人手臂关节在实际运动过程中，为了能够快速响应到达路径点，以关节运动时间最短为目标，采用基于粒子群算法优化三次B样条轨迹曲线。通过实验仿真分析可以看出，经过相同的路径点，生成预规划的轨迹所需时间，优化后的每个关节所需时间分别比优化前所需时间减少了9.630s、8.500s、8.955s。得到了满足机器人运动学、动力学约束的三次B样条时间最优轨迹曲线。
　　（5）介绍了仿人服务机器人实验平台搭建，组成仿人服务机器人运动控制系统的硬件、软件设计。描述了仿人服务机器人平台控制系统的各个组成部分，通过编写基于Android系统指令发送应用软件，加入讯飞开放平台SDK实现语音控制，在树莓派系统编写经过预规划型值点的动作函数，发送到16路舵机控制板驱动手臂关节生成规划轨迹，验证了采用三次B样条规划轨迹的正确性和时间最优轨迹的准确性。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2仿人服务机器人的研究现状

1.3服务机器人轨迹规划的重要性及研究现状

1.4本文的主要研究内容及章节安排

第二章 单臂运动学模型

2.1 引言

2.2 手臂结构参数建模

2.3 机械手臂运动学模型

2.4 本章小结

第三章 机器人轨迹规划发展现状

3.1引言

3.2手臂运动轨迹分析

3.3关节空间轨迹规划

3.4笛卡尔空间的轨迹规划

3.5本章小结

第四章 机器人手臂轨迹规划算法与仿真

4.1 引言

4.2 三次样条插值轨迹规划

4.3 三次B样条轨迹规划

4.4三次B样条差值仿真

4.5本章小结

第五章 基于粒子群算法优化B样条轨迹

5.1引言

5.2 机械臂关节时间最优轨迹规划概述

5.3粒子群算法原理

5.4机器人关节空间三次B样条轨迹优化数学模型

5.5基于标准粒子群算法三次B样条轨迹规划算法

5.6基于粒子群算法的时间优化仿真

5.7本章小结

第六章 仿人服务机器人实验平台搭建与轨迹生成

6.1引言

6.2仿人服务机器人平台控制系统

6.3仿人服务机器人硬件、软件结构介绍

6.4本章小结

总结及展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢