6R串联工业机器人轨迹规划算法研究与实现

作     者：谷涛涛 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩江

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：工业机器人 轨迹优化 混合插值 多目标优化 控制系统 

摘      要：智能制造与先进工厂已经越来越受到各国的重视,而机器人更是逐渐成为基础设备,在先进制造装备技术中占有举足轻重的地位。机器人系统的核心组成部分——机器人控制系统,其性能的优劣对工业机器人的整体性能起着决定性作用。机器人控制系统从宏观上可以分为两大部分:软件系统与硬件设备。硬件设备相当于大脑,而软件系统则相当于大脑的思维。因此要想提高机器人控制体统的性能,就必须从软件核心算法与硬件结构设计入手。本文的主要研究内容如下:(1)探讨了六自由度工业机器人的结构特点,以此确定了满足Pieper准则的机器人关节参数和D-H坐标系;以相邻刚体之间的齐次变换矩阵理论为基础,建立了机器人末端齐次变换矩阵;最后,在此基础上推导了机器人末端在笛卡尔空间下的位置姿态矩阵,进而得出机器人运动学的正逆解算法。(2)分别从笛卡尔空间和关节空间阐述了机器人轨迹规划算法。为了使机器人控制系统能够进行基本的运动控制,在笛卡尔空间下对直线插补与圆弧插补做了简要分析。由于笛卡尔空间容易出现奇异点问题,因此本文重点从关节空间角度推导了B样条轨迹规划算法及优化,并在MATLAB分析了优化后的实际效果。(3)考虑到机器人的实际工作情况,将效率、能耗和冲击性等目标最优要求,以数学函数的形式表达,从而建立机器人多目标数学模型,利用已经成熟的NSGA-II多目标优化算法求解建立的数学模型,为机器人满足严格的加工要求提供了一种解决方案。(4)实验平台设计。基于“PC+运动控制器的控制系统结构,利用工业计算机和PMAC控制器设计了一种开放式机器人控制系统;利用C/C++语言,采用模块化的思想开发该控制系统的上位机软件,实现了基本的运动控制;最后在本实验平台上,验证本文的轨迹规划算法。实验证明,本文的混合插值优化轨迹规划算法具有正确性与可行性。