多关节机器人的运动轨迹规划研究

摘要

机器人运动轨迹规划是机器人学研究领域中最重要的课题之一，机器人轨迹规划问题在机器人的控制中占有重要的地位。一般将机器人的运动轨迹规划分为两种，即关节空间内的轨迹规划和笛卡尔空间内的轨迹规划，同时从机器人的数理基础和机构特点出发，又可分为运动学轨迹规划和动力学轨迹规划。运动学轨迹规划是指基于机器人的运动学方程而进行的规划，动力学轨迹规划是指基于机器人的动力学理论而进行的规划。本课题主要研究平面连杆机器人(或称机器人)在关节空间内的运动学轨迹规划问题。
　　 首先，本文对机器人的定义和发展前景作了介绍，对机器人技术发展的概况、应用等作了简要的论述，同时回顾了机器人轨迹规划的研究现状，并说明了课题的主要研究工作和论文的大致安排。
　　 其次，课题论述了机器人的运动学和动力学基本理论和基本知识。在讨论机器人的运动学理论时，详细阐述了坐标变换和机器人的运动学求解问题，鉴于机器人运动学的逆解问题直接涉及机器人轨迹规划问题的研究，所以它在机器人的运动学轨迹规划中占有重要的地位。在机器人的动力学理论部分，简要介绍了三种常用的动力学建模方式。
　　 再次，论文阐述了机器人运动学轨迹规划的一般性问题。先是简要说明了两个坐标空间内轨迹规划的区别，然后重点讨论了关节空间内的运动学轨迹规划，并给出了关节空间内五种常用的轨迹插值算法。
　　 最后，课题采用两种算法研究了机器人的运动轨迹规划问题，这是研究的重点内容。第一种算法是采用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)进行的运动学规划，另外一种是采用势场法实现机器人的避障运动学规划。在采用自适应神经模糊推理系统进行规划的研究中，考虑到ANFIS系统是基于数据建模的，所以选取一定数量的可靠模型数据是关键所在。课题是根据机器人的逆运动学模型采集数据，然后利用自适应神经模糊推理系统的自学习、自训练功能求解机器人的逆解，从而完成机器人的轨迹规划，仿真实验结果证实了该算法的有效性和可行性。在研究机器人的避障轨迹规划时，本课题采用了势场法，这里分两种情况：一种是仅考虑机器人手端(终端)实现避障而不考虑机器人各个关节是否避开障碍物；另一种情况是考虑机器人各个关节实现避障条件下的轨迹规划。在这两种情况下，势函数的构造是关键。第一种情况下的势函数是由目标位置产生的吸引力和障碍物所形成的斥力而合成，第二种情况下的势函数是根据机器人的速度分解原则进行构造，主要是针对冗余度机器人进行研究的。实现避障规划的目的主要是研究机器人的手端避开障碍物时的运行轨迹问题，进而规划出各个关节的角度变化曲线，所有仿真实验结果证实了势场法在实现机器人实现避障规划中的合理性和有效性。
　　 论文在结束时，对本课题的研究作了总结，指出了研究中存在的一些问题和不足指出，同时也简要说明了需要加深和改进的地方。