基于改进P-RRT*算法的机械臂运动规划和控制算法研究

作     者：潘振钊 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王建青

授予年度：2023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)] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 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 运动规划 改进RRT算法 动力学前馈 运动控制 

摘      要：近些年,随着制造业发展智能制造概念逐渐成为主流的发展方向,机械臂目前已大规模地应用于码垛、搬运、焊接、切割、装配等多种工业生产中。在实际应用中,机械臂在执行不同的任务时,需要避过不同的障碍物,必须对末端执行器的中心点的轨迹加以控制,运动规划及运动控制的水平直接影响作业质量和效率。针对实际生产中的工作需求,本文以SNR-B6型机械臂为研究对象,探索新型运动规划算法,从机械臂轨迹优化和机械臂轨迹跟踪这两方面展开了研究,使其在稳定运行的同时提高作业精度保证在各种工业作业中的应用。主要研究内容如下:本文首先对机器人的理论基础、运动学和建模方式进行了分析,运用改进DH参数法则建立其运动学模型。本研究使用参数求解出机械臂的运动学方程,使用位姿分离的方法快捷地得出机械臂的运动学逆解,使用MATLAB中的机器人工具箱对机械臂进行建模和仿真,从而对其进行了验证。基于改进P-RRT*算法进行了机器人运动规划。在RRT*算法的基础上,结合了目标偏置策略和基于目标检测的避障措施,引导着随机树以一定概率向目标点生长,当跨越障碍完成时,快速地向目标位置生长。在二维环境中对三种RRT*算法进行实验,结果表明了改进算法能有效地避障且效率高、路径短。在MATLAB中,搭建了机械臂实验仿真的工作空间,结果表明,机械臂可以平滑稳定地避开障碍物到达目标点,证明了改进算法在机械臂上应用的有效性。最后分析了机器人的轨迹规划算法,在关节空间下对直线、三次、五次等多项式算法进行了仿真和实验验证,证明有效提高了轨迹规划的精度和适应性。基于前馈补偿的机械臂轨迹跟踪控制方法对机械臂关节控制问题进行了相关研究。首先选用力位控制的方式作为机械臂的控制方法,采用牛顿欧拉法进行了机械臂的动力学计算,采用拉格朗日方法推导六自由度机械手的动力学模型,推导获得机械手在关节空间的标准动力学模型。推导出控制力矩,实现系统解耦和线性化。然后为加强PID控制器的参数整定,在传统PID控制方法的基础上,基于麻雀算法实现了PID控制器的参数寻优,为后续开展状态控制奠基了基础。本文提出了一种麻雀算法优化参数和动力学前馈结合的控制算法,通过机器人动力学的模型计算出在关节空间期望轨迹下的力矩。最后,利用Solidworks和Simulink搭建仿真框架进行综合实验,分别对未施加前馈控制和施加前馈控制的机械臂关节跟踪和轨迹跟踪,并在SNR-B6仿真测试平台进行了相应的仿真对比验证。仿真结果表明本文所提出的局部规划补偿算法和机械臂控制算法可以提高其轨迹跟踪控制精度,更加有效地降低轨迹跟踪的误差。