空间多自由度串联机械臂的避障运动规划方法研究

摘要

在工业4.0及中国制造2025的双重背景下，机器人技术已逐渐成为智能制造业的主要标志之一。目前，以各型机械臂为代表的机器人已经涉足于工业制造、航空航天、娱乐服务业、医疗、军事等领域。在这些领域中，空间多自由度串联机械臂是应用最广泛的一种机器人，针对其运动学、动力学的相关理论研究也一直是机器人领域的一个重要研究热点。其中，对机械臂的运动路径规划方面的研究是机器人运动控制的关键技术，其规划效果直接影响机械臂运动学、动力学的性能表现。而在实际应用中，机械臂的工作环境多为复杂障碍物地形，在运动过程中需要进行有效的避障规划。因此，本文主要以空间多自由度串联机械臂为研究对象，分别在笛卡尔空间和关节状态空间中对其进行避障运动规划方法的研究，最终实现无碰撞路径规划，对机器人运动控制具有一定的理论意义和实际应用价值。本文主要从以下四个方面展开研究:
　　首先，基于D-H理论对常见的六自由度空间串联机械臂为例进行数学建模，并基于机械臂正、逆运动学原理进行方程推导。
　　其次，就机械臂路径规划过程中机械臂与环境障碍物碰撞问题，本文提出了三种常见的空间几何体包络模型，即圆柱体包络模型、长方体包络模型及球体包络模型，并通过简化机械臂模型，把机械臂各关节干涉及与障碍物实体碰撞检测问题转化为空间点-线-面之间的位置关系判断问题，然后通过空间解析几何知识进行分析求解。
　　之后，本文提出了两种机械臂避障路径方法:一种是笛卡尔空间中基于A*算法与机械臂逆解结合的避障路径规划方法，该方法只适用于满足Pieper准则的机械臂;另一种是关节空间中基于改进RRT算法结合机械臂正解的路径规划方法，该方法通过罚函数法建立以机械臂运动平稳性和机械臂末端最优性为代价适用度函数，且适用于任意自由度串联机械臂。
　　最后，为验证上述理论工作，本文建立虚拟样机进行仿真实验，并搭建机械臂实物样机进行运动演示。经验证，两种路径规划方法都能令机械臂实现一条自起始点到终止点最优路径,且在运动过程中能够避开所有存在于工作空间中的障碍物。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究状况

1．3 本课题研究的内容

1．4 本章小结

第二章 空间多自由度机械臂运动学研究

2．1 位姿描述与齐次坐标变换

2．1．1 机械臂末端位姿描述

2．1．2 齐次坐标变换

2．2 机器人位姿表示方法

2．2．1 杆件、关节及其参数

2．2．2 D-H表示法

2．3 空间机械臂运动学方程

2．3．1 空间机械臂数学建模

2．3．2 机器人正运动学方程

2．3．3 机器人逆运动学方程

2．4 本章小结

第三章 机械臂碰撞检测方法

3．1 基于圆柱体包络检测法

3．1．1 圆柱体包络法

3．1．2 多圆柱体之间位置关系判断

3．1．3 机械臂与障碍物碰撞检测

3．2 基于长方体包络检测法

3．2．1 长方体包络检测

3．2．2 空间直线段与平面之间的位置关系

3．2．3 机械臂与障碍物碰撞检测

3．3 基于球形包络检测法

3．3．1 球形包络检测

3．3．2 空间直线段与球体之间位置关系判断

3．3．3 机械臂与障碍物碰撞检测

3．4 本章小结

第四章 笛卡尔空间中基于A*算法的机械臂避障路径规划

4．1 笛卡尔空间规划描述

4．2 基于A*算法的空间机械臂路径规划

4．2．1 环境建模

4．2．2 A*算法原理及三维路径规划

4．2．3 二次B样条曲线路径平滑优化

4．2．4 A*算法规划实例

4．3 本章小结

第五章 关节空间中基于RRT算法的机械臂避障路径规划

5．1 关节空间规划描述

5．2 改进RRT算法的机械臂关节路径规划

5．2．1 RRT算法的基本原理

5．2．2 适应度评定函数的建立

5．2．3 机械臂关节空间路径规划

5．2．4 改进RRT算法规划实例

5．3 笛卡尔空间与关节空间规划优缺点

5．4 本章小结

第六章 仿真与实验结果分析

6．1 软件介绍

6．1．1 Solidworks软件

6．1．2 ADAMS软件

6．1．3 MATLAB软件

6．1．4 Keil C51软件介绍

6．2 硬件介绍

6．2．1 51单片机控制器

6．2．2 舵机

6．3 基于A*算法规划的机械臂运动仿真

6．3．1 虚拟样机建立

6．3．2 仿真环境及驱动函数设置

6．3．3 仿真结果

6．4 改进RRT算法规划的机械臂运动仿真

6．4．1 虚拟样机建立

6．4．2 仿真环境及驱动函数设置

6．4．3 仿真结果

6．5 实验

6．5．1 实验器材

6．5．2 实验步骤

6．5．3 实验数据分析

6．5．4 实验结果

6．5．5 结论

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文