挖掘机机械臂轨迹规划研究

摘要

机械臂轨迹规划是对机械臂进行控制的前提与基础，它的主要目的是通过对机械臂运动时的角度、速度、加速度以及脉动进行规划，用以保证机械臂平滑稳定的运动。另一方面，对机械臂进行轨迹规划，也可以避免其工作时发生冲击振动，从而提高了机械臂的工作效率与可靠性。本文以挖掘机模型为研究对象，研究了挖掘机的运动学逆解问题并在此基础上研究了基于关节空间的轨迹规划方法。 在对挖掘机的结构和运动过程进行分析的基础上，采用标准的D-H法建立其数学模型，并依据运动学相关知识，进行运动学分析，得到铲斗齿尖的位姿与关节位置的关系。然后根据给定的实际工作目标，本文通过几何法实现了挖掘机运动学逆问题的求解，与传统的矩阵变换求解相比，计算过程更加简便。在此基础上论文简要介绍了机械臂轨迹规划及其相关问题，并针对挖掘机动作的特点，详细分析了挖掘机关节空间三次多项式插值函数的建立过程，在此基础上进行挖掘机时间最优轨迹规划。 轨迹规划过程中，需要将三个关节的运动学约束条件作为轨迹约束条件，然后求解满足约束条件的三次多项式轨迹函数表达式，而现有适应值函数与约束条件没有融合在一起，导致智能优化方法在处理轨迹约束条件时存在的寻优时间长、可能会出现无法找到满足条件的解等缺点。本文将约束条件的处理与适应值函数的构造结合起来，建立了一个能够使求出的关节轨迹满足约束的新适应值函数。此适应值函数的另一优点是可以确保轨迹满足时间最优这一性能指标，然后通过粒子群优化算法对此适应值函数的最小值进行寻优求解。通过与已有的算法进行对比可知，本算法的整个优化过程耗时更短、成功率更高。 为了验证本文研究内容的实用性，根据挖掘机模型的实际构型，采用MATLABSimMechanics中的各个模块搭建了仿真模型。在仿真过程中，将规划所得的关节轨迹融入其中，仿真结果验证了轨迹规划的正确性。为了进一步验证实际效果，对实验室的挖掘机模型控制系统进行了改装，制定了基于DSP F2812的挖掘机控制系统的软硬件设计方案，通过DSP实现了对挖掘机的控制。然后对挖掘机进行了铲斗齿尖路径投影及实际铲土实验，结果验证了轨迹规划的正确性和实用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 传统机械臂轨迹规划方法研究现状

1．2．2 基于智能优化的机械臂轨迹规划方法研究现状

1．3 课题的研究内容及结构安排

第2章 挖掘机运动学建模分析

2．1 挖掘机结构介绍

2．2 挖掘机位姿与运动描述

2．2．1 连杆坐标系建立

2．2．2 连杆坐标系间变换矩阵确定

2．3 挖掘机运动学问题

2．3．1 挖掘机运动学正问题

2．3．2 挖掘机运动学逆问题

2．4 本章小结

第3章 带约束时间最优轨迹规划适应值函数研究

3．1 机械臂轨迹的函数表达

3．1．1 机械臂轨迹与关节轨迹

3．1．2 机械臂关节轨迹函数

3．2 基于解析方法的机械臂轨迹规划

3．2．1 机械臂关节轨迹函数的已知条件

3．2．2 机械臂关节轨迹函数的求解

3．3 基于适应值函数的机械臂轨迹规划

3．3．1 基于优化算法的机械臂轨迹规划

3．3．2 基于时间最优的优化目标与约束条件

3．3．3 已有基于时间最优的适应值函数

3．4 基于时间最优的机械臂轨迹优化适应值函数改进

3．4．1 带约束条件的时间最优适应值函数构建

3．4．2 带约束适应值函数与运动约束的一致性证明

3．5 挖掘机时间最优轨迹规划仿真验证

3．5．1 挖掘机轨迹规划参数设置

3．5．2 优化算法参数及约束条件设置

3．5．3 优化结果分析

3．5．4 优化结果的simulink验证

3．6 本章小结

第4章 挖掘机实验系统软硬件设计

4．1 实验平台的改造

4．2 实验模型与轨迹规划的兼容性分析

4．3 实验模型的轨迹验证步骤

4．3．1 第一段轨迹控制时间的计算

4．3．2 第二段轨迹控制时间的计算

4．3．3 第三段轨迹控制时间的计算

4．3．4 挖掘机实际控制过程

4．4 控制系统的硬件设计

4．4．1 控制系统的I／O接口设计

4．4．2 控制系统的I／O接口测试

4．5 控制系统的软件设计

4．5．1 主程序

4．5．2 中断服务子程序

4．6 本章小结

第5章 实验结果及分析

5．1 挖掘机关节速度测量实验

5．2 挖掘机轨迹投影实验

5．3 挖掘机挖土实验

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果