【摘要】：機器人具有效率高、重復機械動作和在惡劣環(huán)境中工作的能力,在經(jīng)濟生活、工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛地應用。軌跡規(guī)劃設計是機器人執(zhí)行動作的重要組成部分,它決定機器人定位和精度運行效率。傳統(tǒng)的軌跡規(guī)劃方法使得工業(yè)機器人在上料時容易出現(xiàn)上料時間過長,以及機械臂振動造成上料位置不準確等問題。本論文以6自由度機械臂上料過程為研究對象,以給定關鍵點為基礎(關鍵點通過多次示教的方法選取),研究了機械臂結(jié)構(gòu)模型搭建、軌跡規(guī)劃正逆解、軌跡插值方法、時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃。通過此研究縮短了上料時間,同時以動力學參數(shù)作為優(yōu)化約束來減少沖擊與振動的影響,以保證上料準確性。本論文的貢獻與創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)機械臂結(jié)構(gòu)模型搭建。本文通過研究分析D-H參數(shù)方法,以相對于前一根連桿的轉(zhuǎn)動角度作為下一根連桿轉(zhuǎn)動角度的描述,同時結(jié)合下一根桿的長度以這兩個數(shù)值來確定下一根相鄰桿的位姿狀態(tài),然后依次類推完成整個機械臂的參數(shù)模型搭建。(2)軌跡規(guī)劃正逆解。本文通過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數(shù)值計算方法,并建立本文研究的算法,輸入初始值后計算得到末端位姿正解和達到該末端位姿時各個關節(jié)的逆解,然后將計算出來的逆解自動與下一段軌跡規(guī)劃的程序相連接,該方法相對于傳統(tǒng)的計算方法在時間成本縮短到0.1s,計算誤差控制在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節(jié)轉(zhuǎn)動角度插值方法,并在關節(jié)位置插值方法的基礎上通過仿真對比提出了適用于本研究的5-7-5分段多項式插值函數(shù)來進行數(shù)學建模,采用該分段函數(shù)作為插值函數(shù)的優(yōu)點在于其既保留了低階次函數(shù)計算簡便性同時又獲得了高階次函數(shù)便于優(yōu)化的特點,使得規(guī)劃出來的軌跡更為平滑且方便控制。(4)時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃。本文在前幾段的研究過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)劃出來的軌跡雖然能滿足工作需要,但是在滿足機械性能(振動與沖擊)的前提下時間方面還能進一步優(yōu)化以減少能源浪費。經(jīng)過分析對比本研究選擇了計算速度快、計算優(yōu)化率較高的復合形法作為優(yōu)化算法,該方法針對約束個數(shù)較少的模型具有迭代快以及約束計算準確等優(yōu)點,本文將前幾段研究規(guī)劃出來的軌跡規(guī)劃函數(shù)以運動學參數(shù)(轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動加速度等)作為約束,導入復合形法進行試驗分析,最后得到的時間相對于初始值優(yōu)化了16%左右,提高了生產(chǎn)效率,響應了綠色工業(yè)的號召。本研究以工業(yè)機器人抓取原材料作為試驗分析工況來討論軌跡規(guī)劃問題。在機械臂經(jīng)過示教確定關鍵點后能夠快速高效的對機械臂運行軌跡進行規(guī)劃,減少運行時間并且規(guī)劃出來的軌跡操控性能較好;同時還能快速計算出逆解的值,在一定程度上為避障等問題打下研究基礎。
【圖文】：

圖 2.1 坐標變化示意圖Fig 2.1 Schematic diagram of coordinate changes上述，描述一個機器人需要 12 個參數(shù)，由于 12 個參數(shù)構(gòu)成的，計算起來很復雜，因此人為加入 0 與 1 的數(shù)值使其構(gòu)成齊次影響整個矩陣的表達，又使得整個矩陣的計算過程變得更加簡述方法如下： =0001cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)cos(,)ohohohzohohohyohohohxzxzyzzpyxyyyzpxxxyxzpT ···········這樣一個齊次矩陣能夠快速準確的表述出末端執(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 表示繞相應的軸轉(zhuǎn)動θ 或i 1α 角度，T 表示沿對應的軸移動i 1a或者d長度，通過旋轉(zhuǎn)與平移的變化使得兩個連桿之間可以通過數(shù)學表達式的形式進行描述。在選取初始桿件之后用上述方法依次描述下一個連桿，這樣整個機
【學位授予單位】：南華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP241

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本文編號：2675142