SCARA-Type工业机器人轨迹规划的研究

摘要

随着工业生产朝着“机械自动化”方向进步，工业机器人的工作性能问题也被人们越来越重视，轨迹规划作为机器人研究的基础部分对工业机器人的工作性能有着十分重要的影响。本文从工业机器人轨迹规划的研究入手，对工业机器人性能进行优化。本文以SCARA-Type（Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA）机器人为研究对象，从笛卡尔空间轨迹规划和关节空间轨迹规划两个方面研究其轨迹规划的问题。 本文首先研究了机器人的正运动学方程、逆运动学方程和拉格朗日动力学方程，进而对SCARA机器人运动学和动力学进行建模，并运用Robotics Toolbox在MATLAB下实现仿真，验证运动学模型的准确性，为后续的轨迹规划研究提供了基础。 本文对笛卡尔空间和关节空间轨迹规划的一些方法进行研究和改进。对于笛卡尔空间的轨迹规划，介绍和比较一阶加速度规划、三角函数速度规划、梯形速度规划等速度规划的方法。本文将传统圆弧过渡插补方法进行改进并仿真验证，发现改进后的过渡区域更加平滑，准确。本文还对笛卡尔空间轨迹插补的三次B样条方法进行仿真。对于在关节空间的轨迹规划，本文求解五阶多项式轨迹插补的系数，并对五阶多项式轨迹插补进行仿真。 针对关节空间规划优化，本文使用4-5阶多项式轨迹规划算法，采用遗传算法，以能耗、耗时等综合系数为优化目标对轨迹进行优化。最后利用MATLAB定制空间轨迹优化的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）。 针对笛卡尔空间轨迹优化，本文采用非支配排序差分进化算法（Non-dominated Sorting Differential Evolution，NSDE）对工业机器人耗时、耗能两个方面实现多目标优化，并得到Pareto的非支配解集，选取优化解，最终得到末端优化的轨迹。

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摘要

ABSTRACT

目 录

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 轨迹规划研究现状

1.3 论文主要工作

1.4 本章小结

2 SCARA机器人模型建立及仿真

2.1 引言

2.2 SCARA机器人的工作原理

2.3 机器人研究基础

2.3.1 机器人运动学基础

2.3.2 机器人的拉格朗日动力学方程

2.4 SCARA机器人运动学和动力学分析

2.4.1 SCARA机器人的正运动学

2.4.2 SCARA机器人的逆运动学

2.4.3 SCARA动力学方程

2.5 MATLAB环境下模型的建立及仿真

2.5.1 SCARA机器人的D-H模型

2.5.2 MATLAB中SCARA机器人模型建立

2.5.3 SCARA机器人运动学校验仿真

2.6 本章小结

3 机器人轨迹规划算法研究

3.1 引言

3.2 轨迹规划的一般问题

3.3 笛卡尔空间的轨迹规划

3.3.1 速度规划

3.3.2 直线插补

3.3.3 改进型的圆弧插补

3.3.4 三次B样条插值

3.4 关节空间轨迹规划

3.5 本章小结

4 基于非支配排序差分算法的末端轨迹优化

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 轨迹设计和约束

4.3.1 轨迹规划

4.3.2 优化目标

4.3.3 约束条件

4.4 优化算法

4.5 本章小结

5 基于遗传算法的关节空间轨迹优化

5.1 引言

5.2 关节优化模型

5.2.1 关节轨迹构造及约束

5.2.2 机器人轨迹优化的目标函数

5.3 基于遗传算法的优化轨迹求解

5.5 数值仿真结果

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果