多自由度机器人位姿轨迹规划研究

摘要

工业机器人是衡量一个国家科技水平和制造业水平的重要标志，是目前我国大力发展的战略性新兴产业。由于我国对工业机器人的研究起步相对较晚，无论从制造水平还是应用水平，与发达国家相比都还有一定的差距，因此需要不断投入研究。位姿轨迹规划是工业机器人应用的一个重要方面，在减少示教工作量、提高任务精度和优化运行时间等方面有着重要作用。
　　本文以Cyton Gamma300串联型七自由度工业机器人为对象，通过理论研究与仿真验证相结合的方式对位姿轨迹规划研究开展了如下工作:
　　构建了机器人的运动学模型，建立了相应的运动学方程，并设计基于自适应遗传算法的七自由度机器人逆运动学求解算法。以运动学方程的正解和逆解为基础研究机器人的位姿轨迹规划方法。
　　位置轨迹规划方面，分别以空间直线轨迹和空间圆弧轨迹为目标轨迹，研究各自的插补方法，为了避免机器人末端执行器在启停阶段的速度阶跃引起的冲击和振动，采用正弦加减速控制策略对整个运动过程进行加减速控制。
　　采用四元数描述机器人末端执行器的姿态，研究了单位四元数球面线性插值与正弦加减速控制策略相结合的姿态轨迹规划方法，并将规划好的姿态轨迹与位置轨迹进行同步规划处理，获得了笛卡尔空间下基于正弦加减速控制算法的位姿轨迹规划算法。
　　分析了关节空间轨迹规划方法，研究了三次B样条曲线在关节轨迹平滑处理中的应用。
　　最后，在matlab环境下对各算法进行了仿真验证和分析，结果表明，所设计位姿轨迹规划算法可以使机器人末端执行器的运行轨迹连续光滑，位置变化和姿态变化符合正弦加减速控制策略的预期目标，各关节平稳运行。
　　论文通过理论研究与仿真验证相结合的方式对串联型七自由度工业机器人的位姿轨迹规划算法进行了研究，为串联型七自由度工业机器人提供了一套有效的位姿轨迹规划研究方法与规划算法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1工业机器人研究背景及选题意义

1．1．1 工业机器人国内外发展和应用现状

1．1．2选题意义

1．2位姿轨迹规划研究现状

1．2．1 笛卡尔空间位置轨迹规划研究现状

1．2．2笛卡尔空间姿态轨迹规划研究现状

1．2．3运动学逆解研究现状

1．3 本文的主要内容

第2章机器人运动学分析

2．1 机器人位姿描述

2．1．1 位置描述

2．1．2方位描述

2．1．3位姿描述

2．2 齐次变换矩阵

2．2．1平移变换

2．2．2旋转变换

2．2．3复合变换

2．3 机器人运动学建模

2．3．1 连杆参数与连杆坐标系

2．3．2运动学方程

2．4 机器人逆运动学分析

2．4．1 基于遗传算法的运动学逆解

2．5 本章小结

第3章笛卡尔空间位姿轨迹规划算法

3．1速度规划

3．1．1梯形速度曲线控制算法

3．1．2 S型速度曲线控制算法

3．1．3正弦加减速控制算法

3．2位置轨迹规划

3．2．1 基于正弦加减速控制的直线轨迹规划

3．2．2基于正弦加减速控制的圆弧轨迹规划

3．3姿态规划

3．3．1机器人姿态表示

3．3．2基于四元数插值的姿态规划

3．3．3姿态轨迹加减速分段

3．4位姿同步

3．5本章小结

第4章关节空间轨迹规划

4．1关节空间轨迹规划方法

4．1．1多项式拼接

4．1．2三次样条插值

4．2三次B样条插值

4．2．1 基于三次B样条的关节轨迹构造

4．2．2三次B样条构造关节轨迹实例

4．3本章小结

第5章位姿轨迹规划仿真与分析

5．1机器人运动学建模

5．2基于遗传算法的逆运动学求解算法验证与分析

5．3直线和圆弧姿轨迹规划仿真

5．3．1 机器人的直线和圆弧轨迹运动仿真

5．3．2位置轨迹分析

5．3．3姿态轨迹分析

5．3．4关节轨迹分析

5．4本章小结

第6章总结与展望

6．1工作总结

6．2创新点

6．3研究展望

参考文献

在读期间发表的学术成果

致谢

附录