工业机器人轨迹规划及插补算法的研究

摘要

我国工业化处于高速发展的阶段，机器人控制技术的研究对加快工业4.0进程具有重要意义。轨迹规划作为机器人控制技术的重要组成部分逐渐成为热门研究方向。
　　从工业机器人在国内外的研究发展现状可以看出我国急需研究开发工业机器人相关控制技术，而现有的轨迹规划方法存在应对机器人过弯作业时会引起冲击的不足，例如激光切割、焊接喷涂等机器人在高速过弯时会因冲击造成本体振动，影响作业精度。针对此问题提出分段轨迹规划的思想，以 F3型机器人为研究对象，先通过改进D-H法构建机器人数学模型；再针对机器人作业轨迹示教点任意分布的情况，选用三次非均匀B样条曲线来拟合机器人在笛卡尔空间中的作业轨迹，提高拟合曲线精度；依据轨迹曲率极值点对曲线分段处理，采用复合积分公式计算单段曲线长度，保证计算精度。
　　选用两种不同的速度控制曲线进行对比分析，表明了梯形速度曲线因加速度的突变会引起对本体的冲击。选用S形速度曲线进行轨迹规划，设计S形速度规划器，规划器以曲线长度和始末速度限制作为输入量计算得出插补步长。构建 u-L反函数，求解任意插补步长L对应的空间插补点位置参数u。
　　最后分别采用全局标准S形速度规划、分段标准减速S形速度规划以及分段预减速S形速度规划算法对F3型机器人进行仿真，通过速度、加速度曲线变化的对比以及空间插补效果的直观对比，表明采用分段式预减速轨迹规划算法可以有效的减小机器人末端在过弯时产生的冲击，抑制振动，保证机器人运行平稳。将机器人末端执行器在作业时速度、加速度和加加速度进行空间分解，更加直观对比全局标准S形速度规划与分段预减速S形速度规划对机器人末端执行器造成的冲击和影响，表明算法的真实有效性。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 机器人轨迹规划概述及国内外研究现状

1.3 课题来源及研究内容

第 2 章 机器人运动学分析

2.1 工业机器人空间模型描述

2.2 工业机器人D-H连杆建模

2.3 工业机器人正运动学

2.4 工业机器人逆运动学

2.5 F3机器人数学模型

2.6 本章小结

第 3 章 笛卡尔空间轨迹规划分析

3.1 直线与圆弧轨迹规划

3.2 三次B样条轨迹规划

3.3 本章小结

第 4 章 S加减速控制算法研究

4.1 现有速度控制方法

4.2 S形加减速控制方法

4.3 本章小结

第 5 章 分段样条曲线插补算法实现

5.1 插补原理

5.2 现有插补算法

5.3 基于S加减速的分段样条插补算法研究

5.4 本章小结

第 6 章 机器人轨迹规划及插补仿真分析

6.1 F3型机器人仿真模型建立

6.2 F3型机器人直线轨迹规划仿真

6.3 F3型机器人B样条曲线轨迹拟合仿真

6.4 F3型机器人速度规划及插补仿真

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所录用的论文

致谢