六自由度机械臂的避障路径及轨迹规划研究

摘要

机械臂的路径规划和轨迹规划结合了人工智能和机器学，一直是机器人学研究中备受关注的问题。避障路径规划是指在复杂的工作环境中，通过某种策略规划出一条无碰撞路径，使机械臂顺利地避开障碍物到达期望的位置。轨迹规划涉及到每个关节运行时的速度、加速度等特性。避障路径规划和轨迹规划对机械臂顺利执行工作任务具有重要的意义。
　　本文以ABB的IRB120六轴机器人为研究对象，进行了避障路径规划算法和时间最优轨迹规划的研究。主要工作和研究成果如下：
　　(1)分别利用D-H参数法和旋量法建立IRB120机器人的运动学模型，进行正逆运动学的分析，通过几组实例计算验证两种方法建立的模型的一致性。
　　(2)根据建立的运动学模型，对工作空间进行了分析，并对边界点进行提取。
　　(3)在避障路径规划方面，基于建立的碰撞检测模型，分别研究了人工势场法与和声搜索算法，并提出相应的改进方法。针对人工势场法容易陷入局部极小值的缺陷，提出了变步长搜索的思想，先采用大步长搜索后设置一个中间点，将搜索路径分成两部分后再用小步长的人工势场法进行分段搜索。在和声搜索算法方面，通过对搜索机制方面的改进，使得算法能够更快地收敛，并应用于避障路径规划中。基于MATLAB和Adams，对提出的改进算法进行了仿真验证。
　　(4)在时间最优轨迹规划方面，根据IRB120机器人在单障碍物下的避障路径，在满足速度约束的条件下，在关节空间中采用基于粒子群算法的多项式插值对运动轨迹进行了时间最优化。最后通过MATLAB仿真验证了该方法的有效性。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2机械臂路径规划研究现状

1.3机械臂轨迹规划研究现状

1.4本文的主要内容

第二章 机械臂建模与正逆运动学

2.1 D-H建模及正逆运动学分析

2.1.1三维空间位姿描述

2.1.2连杆坐标系

2.1.3机械臂建模

2.1.4正运动学分析

2.1.5逆运动学分析

2.2旋量法建模及正逆运动学分析

2.2.1刚体运动的旋量描述

2.2.2机械臂建模

2.2.3正运动学分析

2.2.4逆运动学分析

2.2.5模型验证

2.3本章小结

第三章 机械臂工作空间分析

3.1蒙特卡罗方法求解工作空间

3.2工作空间的边界提取

3.2.1基于局部点象限分布的双向提取法

3.3本章小结

第四章 避障路径规划算法研究

4.1碰撞检测技术

4.1.1碰撞检测算法概述

4.1.2基于包围球和圆柱体的碰撞检测

4.2人工势场法

4.2.1基本原理

4.2.2人工势场法的改进

4.3基于变步长人工势场法的避障规划

4.3.1基本思想

4.3.2搜索空间的选取

4.3.3势场函数模型

4.3.4局部极小点的判定标准

4.4和声搜索算法

4.4.1基本原理

4.4.2和声搜索算法的改进

4.5基于改进和声搜索算法的避障规划

4.6本章小结

第五章 避障路径规划仿真研究

5.1仿真系统设计

5.2仿真实验

5.2.1变步长人工势场法仿真

5.2.2改进的和声搜索算法仿真

5.2.3综合讨论

5.3本章小结

第六章 基于粒子群算法的时间最优轨迹规划

6.1轨迹优化概述

6.2基于多项式插值的轨迹规划

6.2.1关节空间轨迹规划

6.2.2 3-5-3多项式插值

6.3基于粒子群优化算法的轨迹优化

6.3.1粒子群算法

6.3.2最优时间轨迹规划

6.4仿真实验

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2研究展望

参考文献

致谢

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