六自由度工业机器人轨迹规划及控制算法研究

摘要

在日益现代化的工业制造领域，对工业机器人有着日益强大的应用需求。其中，工业机器人的轨迹规划与轨迹跟踪控制算法是工业机器人研究的核心内容，该方面的研究可为工业机器人平稳运行、提高工作效率等提供技术支持。本论文以GRB4016型六自由度机器人为蓝本，从六自由度工业机器人的数学建模、轨迹规划、控制算法、虚拟样机的设计及联合仿真这几个方面进行了探索性研究，以期为工程应用中机器人轨迹规划及轨迹跟踪控制算法实现等提供技术参考，达到了节约成本，提高研发效率的目的。　　本论文所做工作及成果如下:　　1)六自由度工业机器人的数学建模　　以GRB4016型六自由度机器人为研究对象，建立了GRB4016型六自由度机器人的数学模型。首先，讨论了机械臂建模所需的位姿描述、坐标变换等数理基础;然后，对GRB4016型六自由度机器人进行了标准D-H法和改进D-H法的建模;最后，运用数理基础中的坐标变换相关知识，对其进行运动学方程的建立和求解。　　2)六自由度工业机器人的轨迹规划　　提出了一种基于PSO的非均匀五次B样条六自由度工业机器人轨迹规划方案。首先，运用了五次非均匀B样条插值法，实现关节空间的轨迹规划，这种插值法相较于高阶多项式插值法，具有凸包性和局部支撑性等优点;然后，通过PSO算法对规划出的轨迹进行时间-脉动最优的优化，研究结果表明，本论文提出的基于PSO优化算法的五次B样条轨迹规划方案，能够得到时间-脉动较优的轨迹，实现了六自由度机器人高运行效率和好平稳性的预期目标;最后，结合工程中三种工件运送需求背景，运用所提方案实现了不同场景下的机器人轨迹规划，验证了所提出方法的有效性。　　3)六自由度工业机器人的轨迹跟踪控制及联合仿真　　以轨迹规划后得到的最优轨迹为期望轨迹，作为六自由度工业机器人轨迹跟踪控制系统的期望输入，设计了相应的PID和模糊PID控制策略。首先，对GRB4016型机器人进行虚拟样机的设计，完成SolidWorks+MATLAB/SimMechanics仿真平台的搭建;然后，为验证所提六自由度工业机器人的轨迹跟踪控制方法的有效性，在仿真平台上进行仿真实验。仿真结果表明，所给出的轨迹跟踪控制算法是有效的，达到了预期目标。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外工业机器人研究现状及发展趋势

1．2．1 国外工业机器人研究现状

1．2．2 国内工业机器人研究现状

1．2．3 工业机器人相关技术的研究现状

1．2．4 工业机器人发展趋势

1．3 论文研究内容及结构安排

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文结构安排

2 六自由度工业机器人的数学建模

2．1 六自由度工业机器人建模的数理基础

2．1．1 机器人位姿的描述

2．1．2 坐标变换和逆变换

2．2 六自由度工业机器人的运动学

2．2．1 六自由度工业机器人的D-H描述和运动方程的建立

2．2．2 六自由度工业机器人的运动方程求解

2．2．3 运动学在MATLAB／Robotics Toolbox中的仿真验证

2．3 六自由度工业机器人的动力学

2．4 本章小结

3 六自由度工业机器入的轨迹规划

3．1 轨迹规划问题的描述

3．1．1 路径点选取的新思路

3．1．2 轨迹的数学表示

3．1．3 性能指标的设定

3．2 基于B样条插值法的轨迹规划

3．2．1 B样条插值法概述

3．2．2 基于非均匀五次B样条插值法的轨迹规划

3．3 基于PSO算法的轨迹规划

3．3．1 粒子群优化算法概述

3．3．2 粒子群优化算法在机器人轨迹规划中的应用

3．4 MATLAB仿真与实验结果分析

3．5 本章小结

4 轨迹规划的工程应用典型案例及分析

4．1 工件从固定点到固定点

4．1．1 传统4-3-4轨迹规划方案

4．1．2 不同轨迹规划方案的MATLAB仿真

4．2 工件从非固定点到固定点

4．3 工件从非固定点到非固定点

4．4 本章小结

5 机器人轨迹跟踪控制及联合仿真

5．1 基于SolidWorks-SimMechanics的仿真平台的搭建

5．1．1 SolidWorks概述

5．1．2 MATLAB／SimMechanics概述

5．1．3 SolidWorks-SimMechanics接口的建立

5．1．4 六自由度工业机器人三维模型的建立

5．2 单关节控制器的设计

5．2．1 PID控制器设计

5．2．2 模糊PID控制器设计

5．2．3 两种控制算法MATLAB仿真结果比较

5．3 工程应用背景下SolidWorks／SimMechanics联合仿真的实现

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况