基于改进蚁群算法的机械臂路径规划研究

作     者：鲁飞 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁照权;卢欣春

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：机械臂 路径规划 栅格法 碰撞检测 蚁群算法 

摘      要：随着现代化工业的高速发展,机器人在工业领域中发挥的作用愈发明显,有关工业机器人的研究热度也在日益增加。其中,路径规划技术一直是工业机器人研究的一个热点,对工业机器人的发展有着重要作用。本文以工业领域广泛应用的六自由度机械臂为研究对象,对机械臂的碰撞检测问题展开研究。根据蚁群算法基本原理与数学模型,对基本蚁群算法中存在的不足之处提出改进,结合研究对象和碰撞检测算法,实现六自由度机械臂在空间中的避障路径规划。论文的主要工作如下:(1)第一章简要说明了课题的研究背景与研究意义,并介绍了国内外在机械臂路径规划领域的研究现状。(2)第二章对机械臂的正、逆运动学进行了研究分析。分别介绍了标准D＿H表示法与改进D＿H表示法,并采用适用范围更广的改进D＿H法建立了机械臂的关节坐标系,逐步推算所研究机械臂的正、逆运动学方程解法。由于逆运动学解可能会有多重解的情况,提出采取各个关节转角变化之和最小原则选出一组最优解。以ABB公司生产的IRB2400型号机械臂为例,通过MATLAB平台中机器人工具箱Robotics Toolbox建立机械臂模型,验证了正、逆运动学解方程的正确性。(3)第三章对机械臂路径规划中的碰撞检测问题展开研究。基本思想是利用形状规则的几何体对机械臂连杆以及障碍物进行包络,简化检测模型。根据机械臂的结构特征对其连杆采用合适的圆柱体包裹,而对于障碍物采用半径合适的球体进行包裹。为了简化计算过程,将机械臂的连杆进一步抽象为线段,采用“膨胀障碍物的方法,将机械臂连杆半径的最大值叠加到障碍物球体的半径上,从而将机械臂与障碍物的碰撞检测问题简化为判断空间中线段是否与球体相交的问题。(4)第四章结合研究对象对蚁群算法提出改进。简要说明蚁群算法的原理与数学模型,以TSP问题为例,研究算法的相关参数选择。针对算法存在的缺陷,对蚁群算法提出改进,主要包括对初始信息素的不均匀分布,在启发函数中引入安全因素并对权重因子α和β的取值进行优化,动态调整信息素挥发系数等,提高算法的综合性能,并将其运用到六自由度机械臂的空间路径规划中。(5)第五章设计实验方案并进行仿真实验。在MATLAB中建模并设计实验方案,分别采用基本蚁群算法、本文改进蚁群算法以及其他文献中的算法进行机械臂避障路径规划实验。在相同环境下对比仿真结果,证明文中改进算法的优势。最后,根据规划结果在Robot Studio软件中进行运动学仿真,检查机械臂末端执行器在沿着规划路径移动时是否与障碍物发生碰撞,验证所规划路径的安全性。