基于六自由度平台的轨迹优化

作     者：严昊 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴建民

授予年度：2020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：Stewart平台 工作空间求解 轨迹规划 轨迹优化 

摘      要：随着生产力的发展,用人劳动成本的提高,简单繁复的劳动越来越多的被机器人所取代。机器人作为生产流水线上的一环相比人力劳动有精度高、效率高使用成本低等诸多优点。国家也出台了2025战略,将大力发展机器人产业作为国家产业发展的九大战略之一。机器人取代人工需要在单位时间内有更多的产出,从技术层面可以通过对机器人运行轨迹进行时间上的优化,让机器人在单位时间内有更多的产出。对机器人运行轨迹进行优化可以进一步的挖掘机器人的潜能,提高生产效率,为社会创造更多的价值。本文以Stewart平台作为研究对象,针对其在并联机床上的应用场景对其运行轨迹进行时间和运行平滑性上的优化。对运动平台的轨迹点进行三次样条插值,并通过运动学反解求解出各个驱动的位移量,各个驱动臂在空间上做相对的直线运动故采用五次多项式对其进行插值。建立非线性的优化模型,采用遗传算法对驱动臂运行的轨迹点进行速度、加速度的求解,达到时间最优轨迹平滑的优化目标。本文的主要研究内容:(1)对Stewart的正向运动学和逆向运动学进行了分析,利用空间上齐次变换理论和螺旋理论对Stewart平台进行运动学模型的搭建。对Stewart平台奇异点产生的原理进行了探究,对奇异位型进行了分析。(2)从数值迭代结合运动学正解求解工作空间的数值法中得到启发,采用仿真软件对驱动臂运动进行迭代,仿真模型输出运动平台的空间坐标,仿真运行完毕后求解出运动平台的工作空间。(3)在工作空间内Stewart的运动运行的轨迹进行规划,将规划的轨迹方程离散为轨迹点采用三次样条插值对轨迹点进行插值密化,通过运动学反解求出轨迹点所对应的一组驱动臂长度,将驱动臂的轨迹采用五次样条插值进行密化。(4)建立工作时间最短的优化目标函数,同时考虑到机器人的速度、加速度、加加速度和轨迹运行平滑作为结束条件,通过遗传算法对离散的轨迹区间内的速度、加速度进行求解,并求得优化后的运行时间由原来的3.186159减少到2.708309s,运行时间上优化了14.9%,且优化后的加速度曲线相比优化前更加平滑。(5)对Stewart平台进行动力学分析,并在ADAMS中搭建Stewart平台的动力学模型,并在驱动臂上建立位移、速度测量,模型力和力矩的控制策略,输入优化得到的关节力样条数据,将得到驱动臂的位移测量与求解出的数据进行对比,二者之间无明显差异。