串联六轴工业机器人的关节轨迹规划

摘要

国内工业机器人市场巨大，然而，国产工业机器人品牌在市场竞争中处于弱势，轨迹规划技术作为工业机器人控制器内的重要技术之一，其对提高机器人运动性能进而提高其市场竞争力有重要作用。通过对比国外一些工业机器人控制器内轨迹规划技术，发现国产工业机器人轨迹规划技术仍需要改进以提高工业机器人的运动轨迹性能。
　　本文的研究目的是研究出适用于工业应用的六轴串联工业机器人关节轨迹规划算法。在串联工业机器人尤其是六自由度工业机器人中，因为其机械结构的限制，其运动速度没有并联工业机器人运动速度快速，因此运动时间不是轨迹规划的最重要的性能，而串联工业机器人的关节电机功率和额定电流都比较大，因此其运动时轨迹的平滑程度是其运动性能的重要指标。轨迹的平滑程度和电机力矩、电机电流有很大的关系，因此本文将首先利用D-H表示法对六轴串联工业机器人进行运动学建模以及利用牛顿-欧拉迭代动力学方程对其进行动力学建模，然后对六轴串联工业机器人进行能量最优关节轨迹规划，其中利用5阶B样条曲线参数化关节运动轨迹，利用运动时间作为B样条曲线的节点向量，最终求解出运动时间固定的能量最优轨迹。能量最优轨迹规划中利用三种方式表示能量：力矩形式、电机所做机械功形式和电机消耗能量的形式，本文对这三种方式都进行了研究。之后本文通过实验发现能量最优轨迹规划算法不能准确控制运动路径的形状以及寻找最优解的时间过久，因此提出加加速度连续的关节轨迹规划算法，在此算法中利用加加速度为正弦曲线的规划方法规划轨迹的非过渡段，并且使其速度能够满足非零起非零停，然后利用5次多项式时和7次多项式规划轨迹的过渡段，而且利用不同方法求出轨迹过渡段的优化多项式的系数使得其轨迹更加光滑。通过实验证明当两点间用加加速度为正弦曲线规划和轨迹过渡段用5次多项式且利用最小加加加速度求出优化多项式的系数时的规划算法效果最好。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本文的章节安排

第2章 串联六轴工业机器人的运动学和动力学分析

2.1 串联工业机器人的运动学分析

2.1.1 D-H坐标系和坐标转换

2.1.2 埃夫特串联六轴工业机器人正运动学求解

2.1.3 埃夫特串联六轴工业机器人逆运动学求解

2.2串联工业机器人的动力学分析

2.2.1牛顿-欧拉迭代动力学方程

2.2.2 埃夫特串联六轴工业机器人的动力学模型

2.3 本章小结

第3章 串联六轴工业机器人能量最优关节轨迹规划

3.1固高控制器内S型曲线速度规划

3.2能量最优关节轨迹规划

3.2.1最优问题描述和目标函数

3.2.2 B样条曲线参数化关节轨迹

3.2.3求解目标函数的最优解

3.3. 仿真和实验

3.3.1 B样条曲线的凸包性验证

3.3.2 B样条曲线参数确定

3.3.3能量最优关节轨迹规划算法效果验证

3.4本章小结

第4章 加加速度连续的关节轨迹规划

4.1 两点间加加速度为正弦曲线的轨迹规划算法

4.2中间过渡段轨迹规划

4.2.1 中间过渡段轨迹规划算法

4.2.2 过渡段起始速度限制

4.2.3 过渡段的半径限制

4.3多点间轨迹规划算法及应用

4.4加加速度为正弦曲线轨迹规划算法效果验证

4.4.1 两点间关节轨迹规划对比实验

4.4.2多点间关节轨迹规划对比实验

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录

声明

致谢