本文選題：空間串聯(lián)機(jī)械臂 + 碰撞檢測(cè)模型��； 參考：《合肥工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：在工業(yè)4.0及中國(guó)制造2025的雙重背景下,機(jī)器人技術(shù)已逐漸成為智能制造業(yè)的主要標(biāo)志之一。目前,以各型機(jī)械臂為代表的機(jī)器人已經(jīng)涉足于工業(yè)制造、航空航天、娛樂(lè)服務(wù)業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中,空間多自由度串聯(lián)機(jī)械臂是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)器人,針對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論研究也一直是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。其中,對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方面的研究是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù),其規(guī)劃效果直接影響機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的性能表現(xiàn)。而在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)械臂的工作環(huán)境多為復(fù)雜障礙物地形,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要進(jìn)行有效的避障規(guī)劃。因此,本文主要以空間多自由度串聯(lián)機(jī)械臂為研究對(duì)象,分別在笛卡爾空間和關(guān)節(jié)狀態(tài)空間中對(duì)其進(jìn)行避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的研究,最終實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞路徑規(guī)劃,對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文主要從以下四個(gè)方面展開(kāi)研究:首先,基于D-H理論對(duì)常見(jiàn)的六自由度空間串聯(lián)機(jī)械臂為例進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并基于機(jī)械臂正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行方程推導(dǎo)。其次,就機(jī)械臂路徑規(guī)劃過(guò)程中機(jī)械臂與環(huán)境障礙物碰撞問(wèn)題,本文提出了三種常見(jiàn)的空間幾何體包絡(luò)模型,即圓柱體包絡(luò)模型、長(zhǎng)方體包絡(luò)模型及球體包絡(luò)模型,并通過(guò)簡(jiǎn)化機(jī)械臂模型,把機(jī)械臂各關(guān)節(jié)干涉及與障礙物實(shí)體碰撞檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為空間點(diǎn)-線-面之間的位置關(guān)系判斷問(wèn)題,然后通過(guò)空間解析幾何知識(shí)進(jìn)行分析求解。之后,本文提出了兩種機(jī)械臂避障路徑方法:一種是笛卡爾空間中基于A~*算法與機(jī)械臂逆解結(jié)合的避障路徑規(guī)劃方法,該方法只適用于滿足Pieper準(zhǔn)則的機(jī)械臂;另一種是關(guān)節(jié)空間中基于改進(jìn)RRT算法結(jié)合機(jī)械臂正解的路徑規(guī)劃方法,該方法通過(guò)罰函數(shù)法建立以機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和機(jī)械臂末端最優(yōu)性為代價(jià)適用度函數(shù),且適用于任意自由度串聯(lián)機(jī)械臂。最后,為驗(yàn)證上述理論工作,本文建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并搭建機(jī)械臂實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示。經(jīng)驗(yàn)證,兩種路徑規(guī)劃方法都能令機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)一條自起始點(diǎn)到終止點(diǎn)最優(yōu)路徑,且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠避開(kāi)所有存在于工作空間中的障礙物。
[Abstract]:Under the dual background of industry 4.0 and made in China 2025, robot technology has gradually become one of the main symbols of intelligent manufacturing. At present, robots represented by various types of robotic arms have been involved in industrial manufacturing, aerospace, entertainment services, medical, military and other fields. In these fields, the spatial multi-degree-of-freedom serial manipulator is the most widely used robot. The kinematics and dynamics of the manipulator has been an important research hotspot in the field of robot. The research on motion path planning of manipulator is the key technology of robot motion control, and its planning effect directly affects the performance of kinematics and dynamics of manipulator. However, in practical application, the working environment of the manipulator is mostly complicated obstacle terrain, and effective obstacle avoidance planning is needed in the process of motion. Therefore, this paper mainly studies the motion planning method of multi-degree-of-freedom series manipulator in Descartes space and joint state space, and finally realizes collision free path planning. It has certain theoretical significance and practical application value for robot motion control. In this paper, the following four aspects are studied: firstly, based on D-H theory, the mathematical model of six degree of freedom space series manipulator is established, and the equations are derived based on the forward and inverse kinematics principle of the manipulator. Secondly, with regard to the collision between manipulator and environmental obstacles in the course of path planning, three kinds of spatial geometric envelope models, namely cylindrical envelope model, cuboid envelope model and sphere envelope model, are proposed in this paper. By simplifying the model of manipulator, the problem of joint interference and collision detection with obstacles is transformed into the problem of determining the position relationship between points, lines and surfaces in space, and then analyzed and solved by the knowledge of spatial analytic geometry. Then, two obstacle avoidance path methods are proposed: one is the obstacle avoidance path planning method in Cartesian space based on the combination of Awe * algorithm and inverse solution of the manipulator, which can only be applied to the manipulator that meets the Pieper criterion; The other is a path planning method based on the improved RRT algorithm and the forward solution of the manipulator in the joint space. The penalty function method is used to establish the cost applicability function of the manipulator motion stability and the end optimality of the manipulator. And suitable for any degree of freedom series manipulator. Finally, in order to verify the above theoretical work, a virtual prototype is established to carry out simulation experiments, and a prototype of the manipulator is built to demonstrate the motion. It is proved that both of the two path planning methods can make the manipulator realize an optimal path from the starting point to the termination point and avoid all obstacles existing in the workspace during the process of motion.
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP241

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