车载机械臂轨迹规划与轨迹补偿方法研究

作     者：李勇 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李元春

授予年度：2012年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：车载机械臂 运动学 混沌遗传 轨迹规划 多项式插值 轨迹补偿 

摘      要：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富。目前机器人技术的开发和研究正处于蓬勃发展阶段，实际工程中的机器人主要有：工业机器人、海洋探测机器人、空间机器人、军用机器人、服务机器人等。在发达国家中，机器人技术已经在诸多领域得到广泛应用，如：汽车电子行业、食品卫生工业、木质家具制造业、橡胶工业。 车载机械臂属于一种具有高效、平稳、快速、精确的自动转载功能的液压驱动型机械臂，它主要转载任务是完成大载荷物体在该车与运输车之间的转载作业。传统搬运机械臂在实际工程中，不但耗费了大量的时间，而且转载精度不高。针对这种情况，提出了一种高效、平稳、快速、精确的自动转载方法。 本文对车载机械臂系统进行了研究。根据车载机械臂构型的特点，分析机械臂正、逆运动学，研究自动转载轨迹，针对系统自动转载过程中的轨迹误差，研究了车载机械臂的轨迹补偿问题。 全文的主要研究内容如下： 论述了车载机械臂的研究现状，对国内外车载机械臂在机械臂领域进行综述。从车载机械臂构型分析中发现，它是一种较复杂，且同时含有旋转关节、回转关节和伸缩关节，而且伸缩关节具有强耦合性的机械臂。根据其构型特点、任务要求和作业环境的影响，对车载机械臂的自动转载进行研究。 通过研究及分析车载机械臂的构型特点，建立车载机械臂运动学的数学模型。采用D-H参数法和齐次变换矩阵法推导车载机械臂的正运动学方程。基于不含吊具情况下的简化建模问题，采用D-H参数法得到正运动学方程;基于含吊具情况下的完整建模问题，采用齐次变换矩阵的方法获得一个完整的正运动学方程。由于车载机械臂结构复杂，关节之间存在耦合性，因此利用反变换法和混沌遗传算法求车载机械臂逆运动学解。反变换法能够准确的得到唯一的逆运动学解。基于完整的车载机械臂逆运动学问题，利用反变换法是无法得到逆运动学解的，因此采用混沌遗传算法，得到全局最优解。 通过深入分析车载机械臂自动转载过程，将运动分为空间直线轨迹和空间圆弧轨迹，研究其轨迹规划。针对车载机械臂实际工程中的要求，运动轨迹在自动转载过程中，分成加速、匀速和减速阶段。根据笛卡尔空间的位姿，建立关节变量与时间的关系，驱动整个车载机械臂各个关节的运动，完成自动转载过程。 基于车载机械臂负重产生微小变形量的问题，研究轨迹补偿。考虑到补偿有静态与动态之分，设计静态轨迹补偿及动态轨迹补偿。通过末端执行器位置和姿态，运用变分法处理，建立位置偏差和变形角度值的关系。针对静态轨迹补偿问题，利用传感器测量特殊位置点位置偏差，获得变形补偿角度值，补偿轨迹误差。针对动态轨迹补偿问题，根据挠度曲线近似方程，推导了挠度和转角的方程，建立变形量与挠度、转角的关系，得到实时变形补偿角度值，补偿运动轨迹误差。 最后，总结了本文的工作。结合本人在车载机械臂系统运动学建模、轨迹规划、轨迹补偿方面的研究心得，以及对数学、物理、材料力学、控制理论的深入学习，对有待解决的问题进行了展望。