六自由度机器人位姿分析及轨迹规划研究

摘要

轨迹规划是六自由度机器人智能化控制亟待攻克的关键技术之一。保持运动姿态与初始姿态相同的传统姿态控制方法可能导致机器人关节运动超出范围，同时，多障碍物工作环境下的运动轨迹规划方法复杂。针对以上问题，本文提出了一种基于空间位置姿态分析的多障碍物工作环境下的轨迹规划方法。根据空间位置推导了逆运动学模型；分析了空间位置的所有可达姿态；提出了最优姿态的选取准则；建立了实时碰撞检测的避障策略；采用模拟退火算法规划了多障碍物工作环境下的运动轨迹；完成了多障碍物工作环境下的运动仿真和实验验证。论文研究的主要内容如下：　　首先，推导了ABB irb120机器人的运动学模型。运用Modifeid-DH参数法推导了机器人的正运动学模型，分别采用解析法和几何法推导了机器人的逆运动学模型，并验证了正运动学模型和逆运动学模型的正确性。基于矢量构造法推导了机器人的雅可比矩阵，作为机器人姿态分析中最佳姿态选取的数学基础。　　其次，提出了空间位置点的机器人姿态分析方法和最优姿态选取方法。基于空间位置服务球面上球面点与机器人关节角的映射关系，初步建立了表示该位置点姿态集合的姿态球。提出了一种划分不同类别球面点的球面区域聚合方法，得到了表示不同区域的姿态集合的姿态球。根据机器人的关节运动范围，分别采用数值法和解析法，分析了不同球面区域的姿态集合，进一步得到了该位置点的姿态球。研究了选取最佳姿态的机器人的运动性能综合指标，实现了仅根据空间位置点的机器人姿态求解。　　然后，提出了一种多障碍物工作环境下的碰撞检测算法和轨迹规划算法。基于空间位置的姿态求解方法，研究了连杆空间位置与障碍物的干涉判别方法。利用三次B样条曲线的拉伸变化，提出了一种基于模拟退火算法多障碍物环境下的分段轨迹规划方法。基于空间位置的姿态求解方法，得到了运动轨迹点的运动姿态。根据五次B样条曲线，规划了轨迹点之间的关节角、速度和加速度。对比分析了传统姿态控制方法与本文姿态控制方法的机器人运动参数，验证了所提方法的有效性。　　最后，完成了多障碍物环境下的机器人运动实验仿真和实验论证。编写了上位机程序，在Robotstudio中进行仿真分析，验证上位机程序的正确性。设计了实验流程，完成了irb120机器人多障碍物环境下的运动。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 机器人概述

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究意义

1.3 机器人灵活性分析研究现状

1.4.1 轨迹规划概述

1.4.2 轨迹规划研究现状

1.5 本文研究内容

2 机器人运动学分析

2.1 正运动学模型

2.1.1 DH参数模型

2.1.2 正运动学实验仿真

2.2 逆运动学模型

2.2.1 解析法

2.2.2 几何法

2.2.3 逆运动学实验仿真

2.3 雅可比矩阵

2.3.1 矢量积法

2.3.2 微分变换法

2.3.3 irb120雅可比矩阵求解

2.4 本章小结

3 机器人姿态空间分析

3.1.1 灵活度定义

3.1.2 灵活度仿真计算

3.2 姿态空间分析

3.2.1 基于数值法的姿态空间分析

3.2.2 解析法

3.3.1 关节角选取准则

3.3.2 关节角计算仿真

3.4 本章小结

4 多障碍物工作环境下的轨迹规划

4.1 碰撞体模型建立

4.1.1 空间障碍碰撞检测方法

4.1.2 机器人碰撞模型建立

4.1.3 机器人与障碍物碰撞检测方法

4.2.1 模拟退火算法原理

4.2.2 模拟退火算法过程

4.3 操作空间轨迹规划

4.3.1 操作空间轨迹规划过程

4.3.2 三次B样条曲线轨迹规划

4.3.3 操作空间轨迹规划模型

4.4 关节空间轨迹规划

4.4.1 五次B样条曲线轨迹规划

4.4.2 关节空间轨迹规划模型

4.5 轨迹规划算法仿真

4.5.1 操作空间轨迹规划仿真结果

4.5.2 关节空间轨迹规划仿真结果

4.6 本章小结

5 实验与仿真

5.1 仿真分析

5.1.1 仿真软件设计

5.1.2 仿真结果

5.2.1 实验设计

5.2.2 实验平台

5.2.3 实验结果

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附 录

A. 攻读硕士学位期间论文成果

B. 攻读学位期间参与的项目

C. 学位论文数据集

致 谢