有障碍环境中的冗余度机械臂容错轨迹规划研究

摘要

冗余度工业机械臂以其特有的自运动性能引发了许多理论上和工程上的难题,这些成为机械工程和自动控制领域的研究焦点。同时,冗余度工业机械臂还具有容错性能,这对于机械臂在航天和其他特殊环境的应用具有特别重要的意义。因此,为了充分发挥冗余度机械臂的性能优势,很多学者在不同的领域对其进行了大量的科学研究,主要集中在利用冗余度机械臂的冗余特性作加权平均的方法,解决多目标优化和多准则优化方面。如利用冗余度机械臂在躲避障碍的同时,还要满足避免奇异性和关节极限的要求等,但很少涉及到同时解决机械臂的容错和避障问题,毕竟容错性能是冗余度机器人的重要性能之一。因此,本文针对冗余度机械臂拾放操作(Pick-and-Place Operation,P&PO)的避障以及容错要求,提出了一种新的研究方法,并利用平面以及空间机械臂对本算法进行了仿真及实验操作。 首先,对冗余度机械臂的研究现状做了简单的介绍,包括冗余度机械臂的避障规划,容错规划以及拾放操作规划等。 其次,提出了冗余度机器人的容错避障算法。该算法以距离函数为避障指标,并依次在笛卡尔空间以及关节空间内进行运动规划,然后对规划所得的一系列末端可达离散点进行样条插值,最后将插值出的样条曲线作为机械臂末端执行拾放操作的路径,并通过线积分,选取最短的一条作为最优路径。 再次,利用平面机械臂针对该算法进行了仿真及实验操作。通过对杆长参数、障碍物数量、插值点个数等因素对该算法的影响,进行了简要的阐述。 最后,利用空间机械臂针对该算法进行了仿真操作。重点详细介绍了点到空间连杆间距离的求解过程,以及空间圆弧曲线的插值求解过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2冗余度机械臂研究现状

1.2.1冗余度机器人逆运动学问题的解

1.2.2优化算法

1.2.3性能指标分析

1.2.4冗余度机械臂避障轨迹规划

1.2.5冗余度机械臂容错轨迹规划

1.2.6冗余度机械臂多目标准则优化研究

1.2.7拾放操作轨迹规划

1.2.8本课题国内外研究现状

1.3容错性能指标

1.3.1 退化可操作度

1.3.2关节速度突变

1.3.3 容错空间

1.4本文研究内容

第2章 冗余度机械臂容错避障规划算法

2.1引言

2.2避障算法研究

2.2.1笛卡尔空间轨迹规划

2.2.2构造距离函数

2.3容错算法研究

2.3.1关节空间规划

2.3.2三次样条插值

2.4最优路径规划

2.5本章小结

第3章平面冗余度机械臂容错避障规划算法

3.1 引言

3.2平面冗余度机械臂容错避障算法分析

3.3 平面冗余度机械臂容错避障算法仿真实例

3.3.1以PowerCube模块化机械臂实际尺寸为例的仿真

3.3.2任意给定杆长的仿真

3.4平面冗余度机械臂容错避障算法实验研究

3.4.1实验平台的建立

3.4.2实验实例

3.5本章小结

第4章 空间冗余度机械臂容错避障规划算法

4.1 引言

4.2空间冗余度机械臂容错避障算法分析

4.2.1连杆变换及运动方程

4.2.2空间冗余度机械臂的构型及结构参数

4.2.3构造距离函数

4.2.4空间圆弧样条插值

4.3 空间冗余度机械臂容错避障算法仿真实例

4.4本章小结

结论

参考文献

附录

读硕士学位期间取得的研究成果

致谢