六自由度工业机器人轨迹规划算法研究

机器人轨迹规划是根据机器人所要完成的任务路径,求出各个关节运动函数,最终得到末端执行器的位姿与时间之间的关系,同时保证机器人实现所希望的空间运动。以六自由度工业机器人为研究对象,根据机器人所要完成的任务,规划出机器人末端执行器经过点,求出这些点的位姿对应逆解,得出其关节值。通过关节空间对其进行轨迹规划,并采用Matlab进行轨迹规划数值分析,为控制系统的研究提供基础。     

手术机器人高阶多项式插值的轨迹规划

为保证运动的平稳性,要求手术机器人关节空间的位移、速度光滑连续,为此提出了基于高阶多项式插值的轨迹规划方法。根据手术要求,在机器人末端的笛卡尔空间中规划出轨迹。选取轨迹上若干个路径点,运用运动学逆解求出关节空间中的若干个型值点。通过对相邻型值点进行高阶多项式插值,得到关节空间连续光滑的位移函数;对位移函数求导可以得到各关节连续光滑的速度函数。利用MATLAB进行仿真,得出每个关节的连续光滑的角度、速度曲线,精度很高。表明该方法完全可行,能够满足机器人平稳性的要求。     

医药灌装机械手轨迹规划的研究

针对灌装机械手运动的平稳性要求,提出了基于三次样条函数插值的轨迹规划方法。根据作业任务的要求,在笛卡尔空间中规划机械手末端的运动轨迹。选取轨迹上若干离散点,通过运动学逆解将这些离散点映射到关节空间,并利用三次样条函数对关节空间中的点进行插补,生成连续平滑的轨迹。使用MATLAB编程仿真,结果表明该方法精度高,能满足灌装要求。     

冗余移动焊接机器人运动学分析与轨迹规划

设计了一款以四自由度机械臂为执行机构,以旋转电弧焊炬为末端执行器的冗余移动焊接机器人。对机器人移动平台进行建模分析并用改进D-H参数法对机械臂进行运动学分析,然后对其整体进行了集成运动学分析,得出执行器末端坐标系相对于笛卡尔坐标系的运动学关系;并提出一种基于移动机械臂的粒子群优化算法,以解决冗余移动机器人运动学逆解问题,为机器人的运动控制奠定了基础。针对格子型角焊缝提出了一种新的轨迹规划方法,用Matlab对目标轨迹所选取的离散点进行数值解析并进行高次多项式拟合,为后续设计控制提供高效准确的途径。     

基于动力学的搬运机器人运动规划控制算法与仿真

针对移动操作自由度冗余搬运机器人伤员搬运运动的安全性、稳定性要求,提出基于动力学的运动规划与控制方法。采用改进D-H方法建立搬运机器人正逆运动学模型;采用拉格朗日法建立机器人动力学模型;基于零力矩点（ZMP—the Zero-Moment Point）方法建立机器人稳定性评估模型;采用S形曲线方法规划机器人末端运动;通过优化稳定性求解机器人运动学逆解;采用滤波方法拟合关节运动曲线实现关节平稳运动;仿真验证了基于动力学的搬运机器人运动规划控制算法的有效性。     

基于构形控制的仿人机器人操作臂最小关节运动研究

以宜人化双臂操作服务型机器人的左臂为研究对象，进行仿真研究与分析。建立七自由度的冗余操作臂的运动学模型；以加权关节运动为优化目标，利用构形控制的方法求解操作臂的运动学逆解。仿真结果证明，在保证操作臂末端精确跟踪设定轨迹的前提下，关节运动避免了极限，加权关节运动得到了优化，算法和优化指标有效可靠。     

基于多目标粒子群优化算法的6R工业机器人轨迹优化

为了提高工业机器人的工作效率以及运动稳定性,对机器人轨迹进行了优化。在机器人任务空间中用NURBS曲线描述机器人末端轨迹,采用机器人逆运动学求解算法将任务空间轨迹转化到关节空间;提出了一种自适应罚函数的约束多目标骨干粒子群优化算法,对机器人运动时间、加速度、跃度等指标进行多目标优化,该算法采用自适应指数罚函数对约束进行处理,有利于引导算法更快进入可行区域,搜索好的目标值。最后,通过机器人加工实验,验证所提出算法的正确性和有效性。     

冗余平面并联机器人工作空间分析及轨迹规划

针对固高三自由度冗余并联平面机器人的结构特点,首先对其正向运动学特性进行了分析,然后对并联机器人的工作空间进行了确定。由于末端执行点位于工作空间不同区域时,反解表达式不同,所以对三自由度冗余并联平面机器人的逆向运动学的特性进行了分段考虑,并由此确定了关节的转角运动范围。随后,采用线性插值方法对关节空间轨迹规划进行了研究和仿真。实验结果证明了并联机器人工作空间和轨迹规划的正确性。     

MD1200-YJ码垛机器人低能耗轨迹优化

研究了MD1200-YJ型码垛机器人末端"门"字型轨迹工况下的低能耗轨迹优化问题。首先,建立了考虑弹簧力矩的码垛机器人逆动力学模型,进而建立其能耗模型。其次,针对码垛机器人末端"门"字型轨迹的典型工况,采用5NURBS插值函数进行关节空间下的轨迹规划。再次,基于加权系数法,建立了由平均能耗最小和跃度绝对值峰值最小构成的综合优化目标函数,以末端轨迹分段时间为设计变量,以总时间不变以及关节电机额定参数为约束条件,运用遗传算法进行求解。最后,比较优化前后码垛机器人的关节能耗和跃度指标,验证了优化方法的有效性。     

7自由度自动铺丝机器人参数化的自运动流形

提出了一种分析冗余自由度机器人运动学逆解的自运动流形方法。对冗余自由度机器人工作空间中的点,根据关节空间流形和工作空间流形之间的映射关系,采用点的自然坐标作为独立的运动参数来分析冗余自由度机器人的自运动流形,然后把所提出的方法应用到7自由度自动铺丝机器人的自运动流形分析中,得出7自由度自动铺丝机器人的自运动流形。把采用参数化分析方法得到的7自由度自动铺丝机器人的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线进行对比,结果发现,采用参数化的分析方法得到的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线高度吻合,所以采用参数化的分析方法来求解冗余自由度机器人的自运动流形,是求解冗余自由度机器人运动学逆解的一种有效方法。     

机器人捕捉运动目标的时间最优控制方法

对机器人的运动目标捕捉过程进行了研究,提出了用Ak im a样条函数对运动学求逆后的目标轨迹进行平滑的方法,使得轨迹在关节坐标系下得到解耦。通过模糊Bang-Bang控制机器人,使末端以时间最优的方式接近运动目标。当机器人关节位置与期望位置小于给定阈值时,采用带积分的模糊随动控制,使得每个关节相对独立地到达期望位置,并最终实现运动目标捕捉任务。结果表明,该方法简单有效,可快速稳定地实现运动目标捕捉任务。     

空间多机器人协同运动规划研究

面向空间在轨装配任务提出基于优先级的多机器人协同运动规划方法。多机器人系统包括一个7自由度操作机器人和一个13自由度超冗余照明机器人。采用两种规划方法规划高优先级的操作机器人,即关节空间点到点的离线路径规划和基于伪逆的笛卡尔空间在线运动规划。针对低优先级的超冗余照明机器人,将操作机器人视为已知障碍,采用基于A~*算法和末端轨迹跟随的可重构运动规划方法,将运动规划分解为末端路径规划和机器人各关节对轨迹的跟随问题,并验证算法的可重构性。采用具有特定运动学形式的机器人模型进行仿真试验,仿真结果表明,提出的各个机器人的运动规划方法均能有效满足任务需求,且照明机器人的运动规划算法具有可重构性,多机器人系统基于优先级的协同策略能够满足空间在轨装配任务需求。     

一种气门电镦成型机器人轨迹规划与仿真研究

运用D-H法建立气门电镦成型机器人数学模型,并进行运动学正逆解。根据实际现场对机器人运动路径要求,规划其运动路径,现场通过示教获取机器人运动关键点,并在关节空间进行B样条曲线轨迹规划研究,获取关节空间轨迹运动函数表达式,并利用Matlab工具对规划轨迹进行仿真模拟。结果表明利用该方法能生成一条关节位移、速度、加速度都连续的平滑运动轨迹,以保证机器人工作时按规定的路径平稳地运行,且能顺利避开障碍物,满足设计和使用要求。     

考虑振动抑制的多冗余度特种操作机器人轨迹优化方法

为了实现复杂曲管内曲面的自动化喷涂作业,设计多自由度的冗余度特种操作机器人。而多冗余度机器人系统刚度低,使得机器人在喷涂作业过程中出现振动,末端轨迹跟踪误差加大,降低了涂层质量。为此,通过分析冗余度机器人带有弹性变形影响的动力学方程,提出一种利用冗余自由度对机器人关节空间作业轨迹进行优化的新方法,实现了机器人在作业过程中的振动抑制,并且满足复杂三维工作空间约束。在试验中应用此方法,机器人在运动过程中既满足复杂的工作约束,同时减少了末端的振动,实现了振动抑制,证明了该优化方法的有效性。     

基于工作空间密度函数的平面冗余机器人的逆运动学求解算法

利用平面冗余机械人的结构参数结合傅里叶变换及卷积定理来构建非线性工作空间密度函数,并用该函数来描述多冗余机器人的工作空间。将工作空间密度函数仿真获得的工作空间与蒙特洛法求得的机器人工作空间进行对比,验证了算法的有效性。以工作空间密度函数为迭代方程,提出一种全新的迭代的算法来求解机器人逆运动学解析解。将该迭代算法与雅可比伪逆矩阵求逆运动学解的迭代算法进行对比,Matlab仿真结果验证了该算法在平面多冗余机械臂逆运动学求解精度及末端执行器位姿确定方面具有优越性。     

冗余仿人臂避关节物理约束的一种逆运动学问题求解方法

冗余仿人臂有无穷多组逆运动学解满足末端位姿要求,但由于其连杆机构与形状的设计仿人臂每个自由度都有关节位置物理约束。为使所求取的逆运动学解最大化地远离仿人臂关节限位,提出冗余仿人臂(8-DOF)一种几何-数值迭代相结合求解逆运动学问题方法,该方法在计算出仿人臂逆运动学解几何表达式基础上,以仿人臂的“远离限位度”指标构建适应度函数并以此为寻优目标,通过粒子群优化方法(Particle swarm optimization,PSO)搜索冗余关节角最优组合,并获得满足仿人臂末端位姿要求的最优逆运动学解。该方法不仅解决了冗余仿人臂逆运动学多解问题,而且所求关节角不存在理论误差、求解速度快及所求关节角远离关节位置限位裕量大的优点,仿真试验验证了该方法有效性。     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

基于Robotics Toolbox的打磨轨迹拟合与仿真研究

为了让工业机器人完成压力容器焊缝的打磨,按照预定的打磨轨迹运动,通过D-H方法建立机器人运动学方程,使用MATLAB软件的机器人工具箱求出了运动学逆解,得到各个关节实时的数值解,并在工业机器人工作空间内对轨迹进行了拟合仿真,为工业机器人应用在压力容器焊缝打磨领域提供了理论依据。     

仿人7自由度机械臂位置层面轨迹规划研究

仿人7自由度机械臂作为一种特殊结构的冗余自由度机器人,具有更好的运动学性能.为了简化仿人机械臂轨迹规划的计算量,从仿人机械臂的逆运动算法入手,讨论了位置层面的仿人机械臂逆运动计算方法,并在轨迹规划中采用定时插补和定距插补的方法,通过位置层面逆解中加入机器人运动的速度和加速度等信息,实现了在位置层面上对仿人7自由度机器人关节空间的全方位运动规划.     

SCARA型机器人运动学分析与仿真

采用D-H法建立SCARA型机器人坐标系,在该坐标系内完成机器人末端位置、速度、加速度的正逆推导。基于Matlab/Sim Mechanics建立机器人运动学模型。在笛卡尔空间对机器人末端规划一段直线,将该直线轨迹数据导入运动学模型进行运动仿真,通过仿真结果验证机器人运动学正逆推导结果的正确性。在关节空间对机器人末端在两点之间的运动轨迹进行规划,并对规划结果的有效性进行仿真验证。