本文關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人 運(yùn)動學(xué)分析 軌跡規(guī)劃 插補(bǔ)算法 仿真　出處：《安徽工程大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：機(jī)器人軌跡規(guī)劃作為機(jī)器人技術(shù)的重要組成部分,是機(jī)器人運(yùn)動的核心問題。六自由度機(jī)器人空間軌跡形成取決于六關(guān)節(jié)運(yùn)動的合成,由空間軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)運(yùn)動,需要借助于運(yùn)動的逆解,存在求解困難,多解的問題。在要求工業(yè)機(jī)器人能夠快速有效地完成工作任務(wù)的同時(shí),還應(yīng)該要求工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn),保證運(yùn)動過程中各個(gè)關(guān)節(jié)無明顯沖擊,延長機(jī)器人的使用壽命。同時(shí),在保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),還應(yīng)該盡量縮短運(yùn)動時(shí)間。本文針對求逆解過程困難,運(yùn)動多解的問題,對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行合理的規(guī)劃,以提高工業(yè)機(jī)器人的使用壽命以及工作效率。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,通過機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論知識,對空間中剛體的位姿進(jìn)行描述。對相鄰坐標(biāo)系之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、復(fù)合變換,得到了基本變換矩陣。利用D-H法對機(jī)器人進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,建立連桿坐標(biāo)系,進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,得到正運(yùn)動學(xué)方程,這為機(jī)械臂的研究提供了理論依據(jù)。接著通過對正運(yùn)動學(xué)方程求逆解,得到機(jī)器人在不同位姿下,機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)角的大小。機(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)分析,為后續(xù)的研究提供了理論支持。其次,分析MH50II機(jī)器人在軌跡規(guī)劃中的一般方法,深入討論了工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系中和笛卡爾空間坐標(biāo)系中的插補(bǔ)算法。其中,在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系中,分別用三次多項(xiàng)式插值法和五次多項(xiàng)式插值法以及用拋物線過渡的線性插值法進(jìn)行軌跡規(guī)劃的研究,計(jì)算插值點(diǎn)的坐標(biāo)。在笛卡爾坐標(biāo)空間中,對線性直線插補(bǔ)法和圓弧插補(bǔ)法進(jìn)行了深入的研究和推導(dǎo),最終得出在笛卡爾坐標(biāo)空間中,計(jì)算插值點(diǎn)的坐標(biāo)。對比兩種空間插值算法的優(yōu)缺點(diǎn),區(qū)別不同條件下兩種空間插值算法的選用。然后,分析基于遺傳算法的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法,討論了遺傳算法的基本原理、B樣條曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式和特點(diǎn)。采用遺傳算法,考慮了角速度約束、角加速度約束、角加加速度約束、約束系數(shù)等,分析運(yùn)動時(shí)間最短的軌跡規(guī)劃方法。最后,主要研究機(jī)器人軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)與仿真,利用Matlab軟件中的Robotics Tools工具箱對機(jī)器人進(jìn)行仿真建模、運(yùn)動學(xué)分析、建立工作空間、軌跡的實(shí)現(xiàn)。通過在關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系和笛卡爾空間坐標(biāo)系中進(jìn)行仿真分析,得到相同路徑點(diǎn)下的軌跡規(guī)劃曲線,并進(jìn)行比較分析得到最優(yōu)的軌跡規(guī)劃方法。結(jié)果表明,五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法得到的軌跡曲線平滑,從而驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性。
[Abstract]:As an important part of robot technology, robot trajectory planning is the core problem of robot motion. The formation of space trajectory of six-degree-of-freedom robot depends on the synthesis of six-joint motion. In order to plan the motion of joints by space trajectory, it is necessary to use the inverse solution of motion to solve the problem of difficulty and multi-solution, which requires the industrial robot to complete the task quickly and effectively at the same time. Industrial robots should also be required to run smoothly, to ensure that there is no obvious impact on the joints in the process of motion, and to prolong the service life of the robot. At the same time, it is necessary to ensure the stable operation of the robot. In order to solve the problem that the inverse solution is difficult and the motion multiple solution is difficult, the motion trajectory of the industrial robot should be reasonably planned. In order to improve the service life and efficiency of industrial robots, the main contents of this paper are as follows: first, through the basic theoretical knowledge of robotics. The position and pose of rigid body in space are described. The basic transformation matrix is obtained by rotation, translation and composite transformation between adjacent coordinate systems. The mathematical model of robot is established by D-H method, and the coordinate system of connecting rod is established. Through kinematics analysis, the positive kinematics equation is obtained, which provides the theoretical basis for the research of the manipulator. Then, the inverse solution of the positive kinematics equation is obtained, and the robot under different position and pose is obtained. The size of each joint angle of the robot and the kinematics analysis of the robot provide theoretical support for further research. Secondly, the general method of trajectory planning for MH50II robot is analyzed. The interpolation algorithm of industrial robot in the joint space coordinate system and the Cartesian space coordinate system is discussed in depth, among which, in the joint space coordinate system. The cubic polynomial interpolation method, the fifth polynomial interpolation method and the parabola transition linear interpolation method are used to calculate the coordinates of interpolation points in Cartesian coordinate space. The linear linear interpolation method and arc interpolation method are deeply studied and deduced. Finally, the coordinates of interpolation points are calculated in Cartesian coordinate space. The advantages and disadvantages of the two spatial interpolation algorithms are compared. Then, the time optimal trajectory planning method based on genetic algorithm is analyzed, and the basic principle of genetic algorithm is discussed. The mathematical expression and characteristics of B-spline curve. Genetic algorithm is used to consider angular velocity constraint, angular acceleration constraint, angular plus acceleration constraint, constraint coefficient and so on. The shortest motion time trajectory planning method is analyzed. Finally, the realization and simulation of robot trajectory planning are mainly studied. Using Robotics Tools toolbox in Matlab software, the robot is simulated and modeled, kinematics is analyzed, and workspace is established. Through the simulation analysis in the joint space coordinate system and the Cartesian space coordinate system, the trajectory planning curve under the same path point is obtained. The optimal trajectory planning method is obtained by comparing and analyzing, and the results show that the trajectory curve obtained by the fifth degree polynomial trajectory planning method is smooth, which verifies the superiority of the algorithm.
【學(xué)位授予單位】：安徽工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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