机械臂轨迹规划.docx

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机械臂轨迹规划

机械臂轨迹规划

机械臂运动的轨迹规划

摘

要

空间机械臂就是一个机、电、热、控一体化的高集成的空间机械系统。

随着科技的发展,特别就是航空飞机、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,对机械臂运动与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,验证算法的正确性与可行性,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与主要容。

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,分析两者的区别与联系。

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对空间直线与空间圆弧进行轨迹规划,通过仿真验证算法的正确性与可行性。

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,而且改进了其她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、Withthedevelopment

ofscienceandtechnology,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,MATLABisused

toanalysethespatialstraightlineandarctrajectoryplanning,throughthesimulationverifythecorrectnessandfeasibilityofthealgorithm、

Thefourthchapter,summarizesthefulltext,analysisofthecontrolalgorithmisappliedtothemechanicalarminthispaper,throughtheMATLABresultscanbeconcludedthatthecorrectnessofalgorithm,canprovideeffectivepathofmechanicalarmmovement,andimprovedtheotherusedinspacemanipulatorpathplanningproblem、[keywords]motionanalysis,workspace,trajectoryplanning,algorithmresearch

摘要...........................................................-1-ABSTRACT........................................................-1-第一章绪论.....................................................-5-第一节研究背景及意义.......................................-5-第二节国外发展现状.........................................-6-一、国现状...............................................-6-二、国外现状.............................................-6-第二章机械臂的运动分析.........................................-7-第一节机械臂的正运动学分析.................................-7-第二节机械臂的逆运动学求解.................................-9-第三章五轴机械臂轨迹规划与仿真................................-10-第一节轨迹规划一般问题....................................-11-第二节关节空间的轨迹规划..................................-11-一、三次多项式插值法....................................-11-二、五次多项式插值......................................-15-第三节笛卡尔空间的轨迹规划................................-17-一、空间直线轨迹规划....................................-17-二、空间圆弧的轨迹规划..................................-20-三、一般空间轨迹规划....................................-24-第四章总结与展望..............................................-28-参考文献.......................................................-29-

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。

当初的空间机器人就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,也就是十分危险的,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。

空间机械臂就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,土壤与岩的取样等;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。

特别就是空间站在轨服务、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,而且对其工作能力与性能要求越来越高,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,一项关键技术就就是路径规划。

路径规划研究就是机器人研究领域中的一个重要分支,就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就是一个复杂的难题。

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与路径质量的期望。

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与工程应用价值。

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、控制系统硬件与软件设计技术、运动学与轨迹规划技术,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;但总的来瞧,我国工业机器人技术及其工程应用的水平与国外比还就是有一定的距离,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。

我国的智能机器人与特种机器人在“863”计划的支持下,也取得不少成果。

其中最突出的就是水下机器人,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。

但就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

美国就是机器人的诞生地,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,也就是日美机器人的重要市场。

早在1966年,美国Unimation公司的尤尼曼特机器人与AMF公司的沃莎特兰机器人就进入英国市场。

接着,英国HallAutomation公司研制出自己的机器人RAMP。

德国工业机器人的总数占世界第三。

德国对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位,

必须以机器人替代普通人的劳动。

同时提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移目标。

1954年:

美国人戴沃尔制造了世界第一台可编程的机械手。

1959年:

戴沃尔与美国发明家英格伯格联手制造出第一台工业机器人。

1962年:

美国AFM公司生产出万能搬运机器人,与Unimation公司生产的万能伙伴机器人一样成为真正商业化的工业机器人。

1967年:

日本川崎重工公司与丰田公司分别从美国购买了工业机器人Unimat与Verstran的生产可,开始对机器人的研究与制造。

1968年:

美国斯坦福研究所公布她们研制的机器人Shakey。

1973年:

世界上机器人与小型计算机第一次携手合作,诞生了机器人T3。

1979年:

日本山梨大学发明了平面关节机器人SCARA。

1984年:

英格伯格在此推出机器人Helpmate,这种机器人能在医院为病人送饭送药与送。

1996年:

本田公司推出仿人型机器人P2,双足行走机器人的研究达到了一个新的高度。

2002年:

美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roombar,为世界上商业化最成功的家用机器人。

2006年:

微软公司推出MicrosoftRobiticsStudio机器人,从此机器人模块化平台同一化的趋势越来越明显。

在工业机器人技术面,工业机器人有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统与检测传感器装置构成,就是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

第二章

机械臂的运动分析

机械臂的运动就是其轨迹出现的直接原因。

所以轨迹规划的前提就是机械臂的运动分析[1]。

本文通过对机械臂的正运动学与逆运动学进行求解,分析两者的区别与联系。

通过对五轴机械臂关于坐标系几关系,针对常见轨迹规划案中起始与终止阶段进行研究,分析研究结果。

第一节

机械臂的正运动学分析

机械臂从关节空间到末端笛卡尔空间的变换就是正向运动学描述。

由坐标系

中已知的各个关节角度,求解机械臂末端相对应于原点坐标系的位置与位姿。

设矩阵A表示机械臂连杆的齐次变换:

）,（）0,0,（）,0,（）,（1iniiiiXRotaTransldTransZRotA

1000coscossincossinsinsinsincoscoscossin0sincos111111111iiiiiiiiiiiiiiiiidda

（2-1）由于机械臂全就是旋转关节。

对于文中采用的机械臂而言有五个其次变换矩阵,则末端连杆坐标系相对于基坐标系的齐次变换矩阵10003332312322211312115432105zyxprrrprrrprrrAAAAAT

（2-2）

式即为机械臂的运动程,它反应各关节变量与机械臂末端位姿之间的关系,上式左边的五个矩阵含有五个关节变量Tq],,,,[54321。

程右边为描述机械臂末端关节位置与姿态的齐次矩阵,由刚体姿态的描述可知11r,12r,13r,21r,22r,23r,31r,32r,33r分别为机械臂末关节坐标系的三个坐标轴与机械臂基坐标系三个坐标轴的向余弦,xp,yp,zp为机械臂末关节的坐标原点在机械臂基坐标系中的三维坐标。

机械臂正运动学求解就就是已知各连杆的关节变量求解末端连杆的位姿矩阵。

即已知关节变量Tq],,,,[54321,求解上式机械臂运动学程中等式右边矩阵各元素的值[10]。

将上式中的机械臂五个关节的齐次变换矩阵带入,即计算出T05中各元素值为:

100033323123222113121105zyxprrrprrrprrrT

（2-3）其中:

515234111sscccr

515234112cssccr

4231423113cscsccr

515234121scccsr

515234122ccscsr

4231423123cssscsr

523431csr

523432ssr

23411cr

11212213231acldsaccaccpx

11212213231asldcacsacspy

122323ldasaspz

其中,11cosc,11sins,）cos（432234c,）sin（432234s。

第二节

机械臂的逆运动学求解

机械臂的逆运动学解就是对其运动学正解的反解,因而已知量与求解量相反,即已知机械臂末端的位置姿态对机械臂进行驱动,使各个关节从此刻的姿态运动到与末端位姿相对应的位置,进而得到关节变量[11]。

机械臂的运动学正、逆求解实质就是机械臂关节空间与工作空间之间的非线性映射关系,两者可相互转换。

关系图如下所示。

杆件参数运动学正解末端执行器位姿运动学逆解逆解选取关节角量关节角量杆件参数图1关节空间与工作空间的关系

机械臂的逆运动学问题,指已知机械臂的末端位姿,即已知齐次变换矩阵T05,求解各转动关节的角度i。

机械臂的逆运行学问题,可以理解为通过运动学程:

）（）（）（）（）（54543432321210105TTTTTT

（2-4）求解i。

整理式,将含有1的部分移到程的左边）（）（）（）（）]（[545434323212051101TTTTTT

（2-5）

将T01转置,上式可以表达成为:

Tdrrrprrrprrrdcsscyx15133323123222113121111111100010001000000

（2-6）

假设上式的两边元素与式相等,得到:

011yxpcps

（2-7）可以得出1的解。

第三章

五轴机械臂轨迹规划与仿真

目前关于空间轨迹规划的法主要有三种,三次多项式插值,高阶多项式插值以及样条曲线等法。

主要讨论轨迹在关节空间中的位移、速度与加速度等变量的关系。

规划实质就是根据需求,计算出预定的轨迹曲线,在轨迹规划时可以再运动学与动力学的基础上进行规划,所以规划就是建立在运动学与动力学基础上的。

图2机械臂的matlab生成第一节

轨迹规划一般问题

轨迹规划的一般法就是在机械臂末端的初始与目标位置之间用多项式函数“插”来抵近给定的路径,并沿着时间轴产生一系列的可供操作机使用的“控制设定点”[3]。

其中关节坐标与笛卡尔坐标都可以对路径端点进行给出。

一般就是在笛卡尔坐标中给出,由于在笛卡尔坐标中机械臂末端形态更容易观察。

所以通常采用笛卡尔法。

在给定的两端之间,常有多条可能路径。

可以沿着直线与光滑多项式曲线运动。

本文将讨论插值法,研究满足路径约束的简单轨迹规划[3]。

第二节

关节空间的轨迹规划

机械臂关节空间的轨迹规划解决机械臂从起始位姿到终止位姿去取放物体的问题、机械臂末端移动的过程并不重要,只要求运动就是平滑的且没有碰撞产生、在关节空间中进行轨迹规划时,算法简单、工具移动效率高、关节空间与直角坐标空间连续的对应关系就是不存在的,因此机构的奇异性问题一般不会发生。

对于无路径的要求,应尽量在关节空间进行轨迹规划。