六自由度关节型机器人避障轨迹与姿态规划研究

作     者：汪明辉 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周长江;康瑛

授予年度：2018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：关节型机器人 避障轨迹 路径优化 姿态规划 逆动力学 

摘      要：新一代工业机器人通常要求在动态环境下高效作业,灵活避障是其轨迹规划与运动控制的关键技术。轨迹规划旨在为机器人的运动控制提供期望的输入,良好的规划可以显著提升机器人的作业效率、运行平稳性并减少能量消耗。本文以安川首钢某6自由度关节型机器人为研究对象,重点研究其空间避障问题,提出一种基于几何避障法的关节型机器人多指标协同轨迹优化方法。优化指标包括任务空间的路径长度、执行总时间及关节空间轨迹平滑度;约束包含避开障碍,通过型值点位置,存在上界的各关节速度、加速度及加加速度。主要研究内容为:(1)6自由度关节型机器人的运动学和动力学模型。以Motoman MH50-35机器人为研究对象,基于D-H法推导机器人的正、逆运动学模型的封闭解。基于Matlab/RTB建立机器人仿真模型,验证若干位置及姿态。基于矢量构造法推导速度运动学模型,并基于欧拉-拉格朗日方程,推导出文中机器人关节空间逆动力学模型的解析表达式。对重力矩、科氏矩阵、惯性矩阵等参数进行数值计算与分析,研究各参数对机器人各关节驱动力矩的影响。(2)关节型机器人一般轨迹规划方法。任务空间轨迹规划时,研究了直线及圆弧插补方法,基于Matlab进行仿真验证。关节空间轨迹规划时,研究了常用的轨迹规划方法,推导出五次均匀B样条曲线的显式形式,并将均匀五次B样条曲线的插补结果与非均匀五次B样条曲线对比。(3)基于单位四元数球面意义的姿态插补算法。姿态插补时,分析欧拉角插值及通用旋转变换插值的不足,研究了基于单位四元数球面意义的姿态插补方法,分析两姿态及三姿态插补法,推广到n个姿态插补。基于Matlab/RTB进行姿态插补验证,并将插补结果与欧拉法及SLERP的插补结果对比。(4)一种考虑避障的关节型机器人多指标协同轨迹优化方法。协同优化分两次进行,一次优化在任务空间进行,求出考虑避障的最优路径,将其插值后用逆运动学方程转换到关节空间。二次优化在关节空间进行,以轨迹平滑与执行时间最短为目标函数,利用遗传算法优化关节空间的时间序列,求得最优避障轨迹。