六自由度机械臂空间轨迹规划方法研究

摘要

机械臂轨迹规划是机械臂控制系统中的重要组成部分。其任务是通过规划机械臂运动过程中的位移、速度和加速度，使机械臂运动平滑稳定，减少冲击振动，提高机械臂的可靠性和工作效率。本文以实验室六自由度机械臂为研究对象，研究了机械臂的正逆运动学及基于关节空间的轨迹规划方法。
　　首先，对机械臂进行运动学分析，求解机械臂的运动学正解和运动学逆解。以实验室六自由度机械臂REBot-V-6R-650为研究对象，使用基于Matlab平台下的Robotics工具箱建立了六自由度机械臂的模型，作为后面轨迹规划的基础。并用运动学的正解和逆解验证了所建模型的正确性。
　　其次，重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的三种实现方法：五段三次多项式插值方法、3-5-3多项式插值方法及4-3-4多项式插值方法。经过仿真结果分析可知五段三次多项式插值方法能保证轨迹平稳运行，但计算量较大；而3-5-3多项式插值方法计算量小，但轨迹运行不平稳；4-3-4多项式插值方法既可以保证轨迹平稳运行，又节省时间。因此本文选取4-3-4多项式插值的方法进行六自由度机械臂的轨迹规划，并在MATLAB中进行仿真实验。
　　然后，利用粒子群算法结构简单、参数易调整的特点，提出了关节空间基于粒子群的时间最优4-3-4多项式插值轨迹规划算法。为了缩小搜索范围，直接在优化目标空间搜索，避免了构造粒子群算法计算自变量和因变量映射的步骤，降低了搜索维数，简化计算。运用优化后的算法进行六自由度机械臂轨迹规划仿真，验证了该方法在运行时间和运行平稳度上的优点。
　　最后，为了直观对比优化前后的轨迹曲线，在 MATLAB上建立了对比仿真控件，通过输入各参数值得到优化前后的轨迹曲线。并在实验室已有的六自由度机械臂实验平台上进行了轮廓方式的轨迹运行实验，实验过程中机械臂平稳运行，表明轨迹规划方法的合理性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 六自由度机械臂数学模型的建立

2.1 机械臂的数学基础

2.2 机械臂运动学方程的建立

2.3 机械臂的正运动学

2.4 机械臂的逆运动学

2.5 本章小结

第3章 机械臂轨迹规划方法设计

3.1 轨迹规划概述

3.2 关节插值轨迹规划

3.3 轨迹规划仿真结果

3.4 本章小结

第4章 轨迹规划优化算法研究

4.1 粒子群算法原理

4.2 机械臂轨迹规划时间的优化算法

4.3 本章小结

第5章 轨迹规划实验验证

5.1 MATLAB仿真比较

5.2 机械臂轨迹规划实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢