机械臂的轨迹规划.docx

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机械臂的轨迹规划

机械臂运动的轨迹规划

摘要

空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成的空间机械系统。

随着科技的发展，特别是航空飞机、机器人等的诞生得到了广泛的应用，空间机械臂作为在轨迹的支持、服务等以备受人们的关注。

本文将以空间机械臂为研究对象，针对空间机械臂的直线运动、关节的规划、空间直线以及弧线的轨迹规划几个面进行研究，对机械臂运动和工作空间进行了分析，同时对机械臂的轨迹规划进行了验证，利用MATLAB软件对机械臂的轨迹进行仿真，验证算法的正确性和可行性，同时此路径规划法可以提高机械臂的作业效率，为机械臂操作提高理论指导，为机器人更复杂的运动仿真与路径规划打下基础。

本文一共分为四章：

第一章，首先总结了机械臂运动控制与轨迹规划问题的研究现状及研究法，归纳了各种轨迹规划的算法及其优化法，阐述了机械臂的研究背景和主要容。

第二章，对机械臂的空间运动进行分析研究，采用抽样求解数值法—蒙特卡洛法，进行机械臂工作空间求解，同时在MATLAB中进行仿真，直观展示机械臂工作围，为下一章的轨迹规划提供理论基础；同时通过D-H参数法对机械臂的正、逆运动分析求解，分析两者的区别和联系。

第三章，主要针对轨迹规划的一般性问题进行分析，利用笛卡尔空间的轨迹规划法对机械臂进行轨迹规划，同时利用MATLAB对空间直线和空间圆弧进行轨迹规划，通过仿真验证算法的正确性和可行性。

第四章，总结全文，分析本文应用到机械臂中的控制算法，通过MATLAB结果可以得出本文所建立的算确性，能够对机械臂运动提供有效的路径，而且改进了其他应用于空间机械臂的路径规划问题。

【关键词】运动分析工作空间算法研究轨迹规划

ABSTRACT

Spacemanipulatorisamachine,electricity,heat,chargedwithhighintegrationofspacemechanicalsystemintegration.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,especiallythebirthofaviationaircraft,arobothasbeenwidelyused,thetrajectoryofspacemanipulatorasthesupportandservicestopeople'sattention.Thisarticlewillspacemanipulatorastheresearchobject,accordingtothelinearmotionofthespacemanipulator,jointplanning,spaceofthestraightlineandcurve,thetrajectoryplanningofseveralaspectsofmechanicalarmmovementandworkingspaceareanalyzed,andthetrajectoryplanningofmanipulatorisverified,thetrajectoryofmanipulatoristomakeuseofMATLABsoftwaresimulation,verifythecorrectnessandfeasibilityofthealgorithm,atthesametimethispathplanningmethodcanimprovetheefficiencyofmechanicalarm,improvethetheoreticalguidanceformechanicalarmoperation,simulationandpathplanningforrobotmorecomplicatedmovement.

Thisarticleisdividedintofourchaptersaltogether:

Thefirstchapter,firstsummarizesthemechanicalarmmotioncontrolandpathplanningproblemresearchstatusandresearchmethods,summarizesthevarietyoftrajectoryplanningalgorithmandthemethodofoptimization,andexpoundstheresearchbackgroundandmaincontentofmechanicalarm.

Thesecondchapter,thepaperstudiedthespacemotionofmechanicalarm,thenumericalmethod,montecarlomethodarededucedwiththemethodofsampling,theworkspaceformechanicalarmis,atthesametimethesimulationinMATLAB,intuitivedisplaymechanicalarmworkscope,providingtheoreticalbasisforthenextchapteroftrajectoryplanning.Atthesametimethroughd-hmethodofpositiveandinversekinematicanalysisofthemechanicalarm,analyzethedifferenceandcontact.

Thethirdchapter,mainlyaimsatthegeneralproblemoftrajectoryplanningisanalyzed,usingcartesianspacetrajectoryplanningmethodfortrajectoryplanning,mechanicalarmatthesametime,MATLABisusedtoanalysethespatialstraightlineandarctrajectoryplanning,throughthesimulationverifythecorrectnessandfeasibilityofthealgorithm.

Thefourthchapter,summarizesthefulltext,analysisofthecontrolalgorithmisappliedtothemechanicalarminthispaper,throughtheMATLABresultscanbeconcludedthatthecorrectnessofalgorithm,canprovideeffectivepathofmechanicalarmmovement,andimprovedtheotherusedinspacemanipulatorpathplanningproblem.

[keywords]motionanalysis,workspace,trajectoryplanning,algorithmresearch

第一章绪论

第一节研究背景及意义

随着宇宙空间的开发，70年代美国提出了在宇宙空间利用机器人系统的概念，并且在航天飞机上实施。

当初的空间机器人是由航天飞机舱的宇航员通过电视画面操纵的。

随着空间技术的进一步发展使得未来空间操作任务急剧增加，空间站的建立、维修，卫星的回收、释放等工作会越来越多。

如果所有这些工作都依靠宇航员来完成，其成本将十分高昂，也是十分危险的，因为恶劣的太空环境会给宇航员的空间作业带来巨大的威胁。

宇航员的舱外作业需要庞大而复杂的环境控制系统、生命保障系统、物质供给系统、救生系统等的支持，这些系统不但具有很高的技术难度，而且成本巨大。

用空间机器人代替宇航员进行太空作业不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中工作时可能受到的伤害，还可以降低成本，提高空间探索的效益。

空间机械臂是空间机器人的一种，已被考虑在未来的空间活动中承担大型空间站的在轨安装及对失效飞行器的的捕捉与维修，土壤和岩的取样等；并期望其在无人状态下承担未来空间实验室或工厂的日常工作。

根据空间作业的需要，空间机器人上一般都安装了一个或多个模仿人手臂的多自由度机器臂。

随着我国国民经济与国防工业技术的迅速发展，对航天器的需求量日益增加，对其能力的要求日臻提高。

特别是空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间机械臂技术的需求越来越迫切，而且对其工作能力和性能要求越来越高，对其安全性、寿命等面也提出了越来越高的要求。

此外，受国外在高技术领域的技术限制与封锁，使得我们必须坚持自力更生、独立自主的高技术研发道路，坚持自主创新的思想，加速并加强空间机械臂技术的研发工作[1]。

将机器人用于空间服务，一项关键技术就是路径规划。

路径规划研究是机器人研究领域中的一个重要分支,是机器人导航中最重要的任务之一。

对已知静态环境中机器人路径规划的研究已经进行了将近40年，路径规划问题的研究有很大的价值。

多年的研究工作在取得进展的同时，愈加证明了路径规划是一个复杂的难题。

路径规划算法的计算量取决于任务、环境的复杂性以及对规划路径质量的要求，一个好的路径规划算法应该兼顾对规划速度和路径质量的期望。

随着研究的深入，各种新的路径规划法层出不穷，使路径规划研究一直活跃在机器人学领域。

目前国对空间机械臂研究还处于起步阶段，因此开展空间机械臂相关领域的研究将极大促进我国空间科学试验、空间维护与建设、深空探测等空间技术的发展。

本论文根据课题的技术要求，将空间机械臂路径规划作为切入点，研究路径规划问题，其研究成果具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

第二节国外发展现状

一、国现状

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；但总的来看，我国工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还是有一定的距离，如：

可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得不少成果。

其中最突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、只能装配机器人、机器人化机械等的开发应用面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大。

二、国外现状

美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称“机器人国”的日本起步至少早五六了年。

1971年，通用汽车公司又第一次用机器人进行点焊。

西欧时仅次于日美机器人的生产基地，也是日美机器人的重