【摘要】：機(jī)器人具有效率高、重復(fù)機(jī)械動(dòng)作和在惡劣環(huán)境中工作的能力,在經(jīng)濟(jì)生活、工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛地應(yīng)用。軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)是機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作的重要組成部分,它決定機(jī)器人定位和精度運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法使得工業(yè)機(jī)器人在上料時(shí)容易出現(xiàn)上料時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以及機(jī)械臂振動(dòng)造成上料位置不準(zhǔn)確等問(wèn)題。本論文以6自由度機(jī)械臂上料過(guò)程為研究對(duì)象,以給定關(guān)鍵點(diǎn)為基礎(chǔ)(關(guān)鍵點(diǎn)通過(guò)多次示教的方法選取),研究了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型搭建、軌跡規(guī)劃正逆解、軌跡插值方法、時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃。通過(guò)此研究縮短了上料時(shí)間,同時(shí)以動(dòng)力學(xué)參數(shù)作為優(yōu)化約束來(lái)減少?zèng)_擊與振動(dòng)的影響,以保證上料準(zhǔn)確性。本論文的貢獻(xiàn)與創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型搭建。本文通過(guò)研究分析D-H參數(shù)方法,以相對(duì)于前一根連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度作為下一根連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度的描述,同時(shí)結(jié)合下一根桿的長(zhǎng)度以這兩個(gè)數(shù)值來(lái)確定下一根相鄰桿的位姿狀態(tài),然后依次類推完成整個(gè)機(jī)械臂的參數(shù)模型搭建。(2)軌跡規(guī)劃正逆解。本文通過(guò)分析目前主流的三大正逆解研究方法,提出了適用于本研究的改進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法,并建立本文研究的算法,輸入初始值后計(jì)算得到末端位姿正解和達(dá)到該末端位姿時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的逆解,然后將計(jì)算出來(lái)的逆解自動(dòng)與下一段軌跡規(guī)劃的程序相連接,該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算方法在時(shí)間成本縮短到0.1s,計(jì)算誤差控制在0.5%以內(nèi)。(3)軌跡插值方法。本文分析了笛卡爾空間插值方法以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度插值方法,并在關(guān)節(jié)位置插值方法的基礎(chǔ)上通過(guò)仿真對(duì)比提出了適用于本研究的5-7-5分段多項(xiàng)式插值函數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,采用該分段函數(shù)作為插值函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其既保留了低階次函數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)便性同時(shí)又獲得了高階次函數(shù)便于優(yōu)化的特點(diǎn),使得規(guī)劃出來(lái)的軌跡更為平滑且方便控制。(4)時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃。本文在前幾段的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)規(guī)劃出來(lái)的軌跡雖然能滿足工作需要,但是在滿足機(jī)械性能(振動(dòng)與沖擊)的前提下時(shí)間方面還能進(jìn)一步優(yōu)化以減少能源浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比本研究選擇了計(jì)算速度快、計(jì)算優(yōu)化率較高的復(fù)合形法作為優(yōu)化算法,該方法針對(duì)約束個(gè)數(shù)較少的模型具有迭代快以及約束計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),本文將前幾段研究規(guī)劃出來(lái)的軌跡規(guī)劃函數(shù)以運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度等)作為約束,導(dǎo)入復(fù)合形法進(jìn)行試驗(yàn)分析,最后得到的時(shí)間相對(duì)于初始值優(yōu)化了16%左右,提高了生產(chǎn)效率,響應(yīng)了綠色工業(yè)的號(hào)召。本研究以工業(yè)機(jī)器人抓取原材料作為試驗(yàn)分析工況來(lái)討論軌跡規(guī)劃問(wèn)題。在機(jī)械臂經(jīng)過(guò)示教確定關(guān)鍵點(diǎn)后能夠快速高效的對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃,減少運(yùn)行時(shí)間并且規(guī)劃出來(lái)的軌跡操控性能較好;同時(shí)還能快速計(jì)算出逆解的值,在一定程度上為避障等問(wèn)題打下研究基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 2.1 坐標(biāo)變化示意圖Fig 2.1 Schematic diagram of coordinate changes上述，描述一個(gè)機(jī)器人需要 12 個(gè)參數(shù)，由于 12 個(gè)參數(shù)構(gòu)成的，計(jì)算起來(lái)很復(fù)雜，因此人為加入 0 與 1 的數(shù)值使其構(gòu)成齊次影響整個(gè)矩陣的表達(dá)，又使得整個(gè)矩陣的計(jì)算過(guò)程變得更加簡(jiǎn)述方法如下： =0001cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)ohohohzohohohyohohohxzxzyzzpyxyyyzpxxxyxzpT ···········這樣一個(gè)齊次矩陣能夠快速準(zhǔn)確的表述出末端執(zhí)行器或者任姿態(tài)。-H 參數(shù)表示法文可知，本文目前研究的機(jī)器人多是由多段連桿組合而成的，，

圖 2.2 D-H 參數(shù)表示法Fig 2.2 D-H parameter representation = × × × ==××× 0001sinsincossincoscossincoscoscossinsincossin000000sincos00cossin01000000000100100100000100100100100000010010sincos00cossin00000011111111111111111jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjθαθααdαθαθααdαθθaααααaθθθθTR(z,θ)T(,,d)T(a,,)R(x,α)..（2.4）式(2.4)中，R 表示繞相應(yīng)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ 或i 1α 角度，T 表示沿對(duì)應(yīng)的軸移動(dòng)i 1a或者d長(zhǎng)度，通過(guò)旋轉(zhuǎn)與平移的變化使得兩個(gè)連桿之間可以通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式進(jìn)行描述。在選取初始桿件之后用上述方法依次描述下一個(gè)連桿，這樣整個(gè)機(jī)
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP241

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本文編號(hào)：2675142