【摘要】：隨著國家提出“中國制造2025”計(jì)劃,中國的機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。機(jī)器人越來越成為企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備,同時(shí)對機(jī)器人的各項(xiàng)功能要求也越來越高。其中,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的自動(dòng)避障處理與奇異點(diǎn)規(guī)避一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中,常由于障礙物的存在造成無法完成既定軌跡;同時(shí)奇異點(diǎn)區(qū)域是多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人無法避免的某些特定區(qū)域,在工程應(yīng)用中極其容易發(fā)生生產(chǎn)事故。本文基于避障與奇異點(diǎn)問題進(jìn)行了一定的理論研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)課題內(nèi)容,分析了國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,重點(diǎn)闡述機(jī)器人避障與奇異點(diǎn)規(guī)避方面的研究成果及不足,在此基礎(chǔ)上指出進(jìn)一步開展機(jī)器人避障與奇異點(diǎn)規(guī)避相關(guān)理論研究的必要性。(2)文章以埃夫特某型機(jī)器人為例,利用說明手冊得到相應(yīng)參數(shù),確定機(jī)器人的D-H參數(shù)表。求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與逆解,具體包括機(jī)器人坐標(biāo)系的空間變換以及連桿參數(shù)之間的相互關(guān)系,著重分析了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解中的多解問題,為后面的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與奇異點(diǎn)分析奠定基礎(chǔ)。(3)針對機(jī)器人避障問題,結(jié)合當(dāng)前在軌跡規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法,提出基于馬爾科夫模型與貪婪決策相結(jié)合的智能算法。通過選取適合的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)、報(bào)酬函數(shù),構(gòu)建出算法的詳細(xì)流程圖,令機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)基本避障目的的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑最短化。最后在MATLAB軟件上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的二維及空間模擬仿真。(4)針對多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人的奇異點(diǎn)問題,首先根據(jù)D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表及連桿幾何參數(shù),計(jì)算連桿間的速度傳遞關(guān)系,即從基坐標(biāo)系到末端的速度轉(zhuǎn)換及末端到基坐標(biāo)系的逆解計(jì)算。著重利用雅可比矩陣分析奇異點(diǎn)出現(xiàn)的原因,最后提出基于馬爾科夫模型的奇異點(diǎn)規(guī)避方法。通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證,保證了在奇異區(qū)域附近,機(jī)器人能夠較平穩(wěn)的過渡。(5)搭建機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)平臺,通過測量障礙物與機(jī)器人位置關(guān)系,對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)避障及奇異點(diǎn)規(guī)避綜合仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證算法的有效性。最后,在本文研究的基礎(chǔ)上討論了未來可能的研究方向與研究方法,并總結(jié)作者自身在本次論文撰寫中存在的不足。
【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】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

由關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)量決定。在閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)對地面支撐作用，導(dǎo)致逡逑整體剛度較大、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更高，但因?yàn)殚]環(huán)約束導(dǎo)致關(guān)節(jié)數(shù)冗余，在末端靈逡逑活性方面不及串聯(lián)機(jī)器人。如圖１－２所示，為機(jī)器人基本控制回路，借助ＴＣＰ／ＩＰ逡逑通訊協(xié)議，通過三次握手建立控制器與機(jī)器人的聯(lián)系；利用ｅｔｈｅｒｃａｔ總線，實(shí)逡逑現(xiàn)信息傳輸與即時(shí)通訊。逡逑＂ｒ＃＞ｒ逡逑■邐？＿逡逑圖１－１工業(yè)機(jī)器人基本機(jī)械結(jié)構(gòu)逡逑控制＜■？＿丨丨舊邋■丨丨丨丨丨丨＾邐執(zhí)行器｜逡逑Ｖ邐Ｉ逡逑Ｌ—傳感器邋＿邐ＩＩ＿＿丨＿丨——Ｊ逡逑圖１－２機(jī)器人基本控制回路逡逑在多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，機(jī)械臂的任務(wù)是滿足腕部定位的需求，而腕部是滿足逡逑機(jī)械臂末端姿態(tài)角的需求。出于生產(chǎn)實(shí)際要求，將機(jī)器人分為笛卡爾型、圓柱逡逑型、球型、ＳＣＡＲＡ型、擬人型［７＞。逡逑如圖１－３所示，笛卡爾型機(jī)械臂的幾何結(jié)構(gòu)是由三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，且三逡逑軸相互垂直，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具備良好的機(jī)械剛性，所以機(jī)械腕部在工作空間中逡逑的定位精度很高［８］。但是該型號機(jī)械臂的靈活性較差，若實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的操縱，逡逑需要從側(cè)面接近目標(biāo)，無法遵循最短路徑原則實(shí)現(xiàn)機(jī)械路徑的最優(yōu)化。逡逑３逡逑

由關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)量決定。在閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)對地面支撐作用，導(dǎo)致逡逑整體剛度較大、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更高，但因?yàn)殚]環(huán)約束導(dǎo)致關(guān)節(jié)數(shù)冗余，在末端靈逡逑活性方面不及串聯(lián)機(jī)器人。如圖１－２所示，為機(jī)器人基本控制回路，借助ＴＣＰ／ＩＰ逡逑通訊協(xié)議，通過三次握手建立控制器與機(jī)器人的聯(lián)系；利用ｅｔｈｅｒｃａｔ總線，實(shí)逡逑現(xiàn)信息傳輸與即時(shí)通訊。逡逑＂ｒ＃＞ｒ逡逑■邐？＿逡逑圖１－１工業(yè)機(jī)器人基本機(jī)械結(jié)構(gòu)逡逑控制＜■？＿丨丨舊邋■丨丨丨丨丨丨＾邐執(zhí)行器｜逡逑Ｖ邐Ｉ逡逑Ｌ—傳感器邋＿邐ＩＩ＿＿丨＿丨——Ｊ逡逑圖１－２機(jī)器人基本控制回路逡逑在多關(guān)節(jié)機(jī)器人中，機(jī)械臂的任務(wù)是滿足腕部定位的需求，而腕部是滿足逡逑機(jī)械臂末端姿態(tài)角的需求。出于生產(chǎn)實(shí)際要求，將機(jī)器人分為笛卡爾型、圓柱逡逑型、球型、ＳＣＡＲＡ型、擬人型［７＞。逡逑如圖１－３所示，笛卡爾型機(jī)械臂的幾何結(jié)構(gòu)是由三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，且三逡逑軸相互垂直，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具備良好的機(jī)械剛性，所以機(jī)械腕部在工作空間中逡逑的定位精度很高［８］。但是該型號機(jī)械臂的靈活性較差，若實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的操縱，逡逑需要從側(cè)面接近目標(biāo)，無法遵循最短路徑原則實(shí)現(xiàn)機(jī)械路徑的最優(yōu)化。逡逑３逡逑

安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑圖１－３笛卡爾機(jī)器人逡逑如圖１－４所示，為圓柱型機(jī)械臂。基本結(jié)構(gòu)與笛卡爾機(jī)械臂大致相似，但逡逑在第一軸的選取上有較大區(qū)別。在圓柱型機(jī)械臂中，第一軸結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，逡逑使得在其工作區(qū)間內(nèi)，能夠按照圓柱坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行。由于圓柱型機(jī)械結(jié)構(gòu)為機(jī)逡逑械本體提供較好的剛性支撐和良好的定位精度，因此該型號機(jī)械臂主要用于平逡逑穩(wěn)運(yùn)輸大型物體。逡逑＜＾＞逡逑圖１－４圓柱形機(jī)器人逡逑如圖１－５所示，為擬人型機(jī)械臂。其幾何結(jié)構(gòu)主要由若干個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，逡逑其中關(guān)節(jié)１的旋轉(zhuǎn)軸線通常需要垂直于水平面［９］。由于擬人型關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械逡逑結(jié)構(gòu)與人類手臂關(guān)節(jié)很相似，因此較笛卡爾機(jī)械臂等，擬人型機(jī)械臂是最為靈逡逑活的一種。另一方面，因?yàn)閿M人型機(jī)械手的自由度與關(guān)節(jié)數(shù)目具有對應(yīng)性，因逡逑此

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本文編號：2751135