基于改进人工势场法的障碍环境下捡拾机械手轨迹优化研究

摘要

随着机器人技术的不断发展，球类捡拾服务机器人操作灵活、环境适应性强，能够进行训练场地内散落球体的捡拾作业，解决传统人工操作耗时费力的难题，应用前景广阔。机械手作为捡拾服务机器人的核心组成部分，是顺利实现小球类物体捡拾的关键，然而，目前机械手在捡拾运行过程中仍存在着工作效率偏低和障碍环境下的碰撞问题。为提高捡拾效率，避免与障碍物发生碰撞，本文以五自由度关节式捡拾机械手为研究对象，重点对机械手的最优轨迹规划和障碍环境下的避障规划进行了算法研究，并将其用于处理障碍环境下的轨迹优化问题，从而得到最优轨迹下的避障路径。 首先，根据捡拾机械手功能需求，确定其结构构型、驱动方式和自由度个数，完成整体结构设计。以捡拾机械手结构为基础，采用D-H法建立机械手连杆坐标系，推导出机械手正逆运动学模型，并应用蒙特卡罗数值分析法对捡拾空间进行仿真，结果表明机械手在x、y、z轴方向的活动区间分别达到[-500mm,600mm]，[-450mm,450mm]和[-300mm,850mm]。 然后，为缩短捡拾机械手工作时间，提高运行效率，提出一种余弦式自适应遗传算法进行轨迹优化研究。利用多项式插值法进行了关节空间轨迹规划，形成时间最优轨迹规划的理论依据。根据遗传算法流程，进行遗传参数设定，目标函数建立，适应度函数设计，运动参数约束，三大遗传算子设置和自适应算法动态调节等，由此建立余弦式自适应遗传算法模型。利用此算法进行最优轨迹规划仿真，结果表明优化后轨迹曲线平滑，关节1至关节5运行时间比原有规定时间分别缩短了78.8%、80%、26%、41.2%和81.2%，显著提高了运行效率。 其次，针对障碍环境下机械手的碰撞问题，提出一种改进人工势场法进行避障规划研究。根据人工势场法工作原理，建立了引力势场函数、斥力势场函数和合力势场函数，并对传统人工势场法的目标不可达和局部极小值缺陷问题进行了分析。对于目标不可达缺陷问题，在原有斥力势场函数基础上增加了机械手和目标点之间的距离项dn(X,Xg)，并考虑障碍物边界对捡拾机械手避障规划造成的影响，将障碍物半径r引入到斥力势场函数，以此达到调节斥力势场的目的。对于局部极小值缺陷问题，提出建立虚拟子目标点的方式进行解决。在改进人工势场法下进行避障规划仿真，结果表明在障碍环境下能够顺利为机械手规划出一条无碰撞路径。 最后，结合改进人工势场法和余弦式自适应遗传算法进行了障碍环境下轨迹优化后的虚拟样机仿真与分析。在无障碍环境下进行虚拟样机轨迹优化的仿真，结果表明前文理论推导正确。为进行障碍环境下轨迹优化，先采用改进人工势场法进行避障规划处理，后进行余弦式自适应遗传算法的轨迹优化，仿真结果表明机械手运行时间整体缩短了51.6%，成功获取机械手轨迹优化下的无碰撞路径。

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