缝纫机械臂的运动规划方法研究

作     者：张颖 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：辛大欣

授予年度：2024年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 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] 082101[工学-纺织工程] 

主      题：机械臂 运动学 路径规划 轨迹规划 ROS 

摘      要：近年来,随着中国汽车行业的快速发展和市场需求的增加,对方向盘皮套的需求也在不断增加。传统手工缝制存在效率低、成本高等问题,而缝纫机器人作为一种代替人工进行缝制的技术,具有效率高、精度高等优势。对于方向盘皮套这种三维空间缝制的任务,传统缝纫机无法完成,而缝纫机械臂则可以通过其灵活多变的运动方式,在三维空间完成复杂的缝制任务。缝纫机械臂的运动规划问题则是实现缝纫自动化的关键,需要考虑到方向盘皮套的曲线形状、材料等因素,实现准确、高效的缝纫。因此,对缝纫机械臂的运动规划展开研究,并针对方向盘皮套的缝制特点进行优化设计,可以充分利用缝纫机械臂的灵活性和精度,提高缝制的效率,满足市场需求的快速增长。基于上述背景,本文以缝制装置为研究对象,针对缝纫机械臂的运动规划问题展开研究,主要研究内容如下: 对于本课题所研究的缝纫机械臂,开展运动学建模与分析工作。首先,构建了该缝纫机械臂的D-H坐标系并制定了相应的D-H参数表,通过计算各相邻连杆间的齐次变换矩阵,建立正运动学方程,以求解出机械臂末端在基准坐标系下的精确位姿;随后,进一步推导出逆运动学方程,并采用代数方法对机械臂各关节角的变化信息进行反解;最后,构建完整的缝纫机械臂运动学模型,并通过仿真验证其准确性与有效性。 针对缝纫机械臂的末端执行器运动到方向盘皮套的缝纫点处的路径进行了研究,提出了一种融合遗传算法的改进RRT路径规划算法。该算法首先采用几何体对机械臂连杆及周围障碍物进行封装概括,从而简化碰撞检测模型;然后,针对传统RRT算法的不足提出了目标偏置与自适应扩展步长策略,增强随机点生成的导向型,并以路径长度和拐点数量为优化指标,提出了自适应遗传算法;最后,在此基础上,将优化后的路径进行剪枝处理和利用三次B样条曲线平滑路径,从而得到最优路径。通过实验仿真证明,该融合算法能够在一定程度上提升路径规划的效率。 针对方向盘皮套缝纫点前后缝针的轨迹进行了研究,提出了一种位置与姿态相结合的轨迹规划方法。在笛卡尔坐标系统中模拟直线和圆弧的运动轨迹,随后引入基于空间姿态描述的固定角方法,设计了一种与轨迹插补点紧密结合的空间姿态插补策略,旨在高效规划三维空间中的位姿目标,将位置路径目标与姿态目标的规划方法进行了有机整合。通过仿真实验,验证了两种规划方法的结合,能够使机械臂的各轴实现较为平滑的运动,从而达到更精确的定位要求。 为了验证改进算法对缝纫机械臂运动规划的有效性,利用ROS仿真平台进行实验验证。使用Solid Works软件生成缝纫机械臂的URDF文件,利用Moveit工具包加载URDF文件,并完成缝纫装置的配置工作,最终在Rviz中进行仿真。验证表明基于改进的路径规划算法和新的插补方法,缝纫机械臂能够高效地规划出光滑无碰撞的路径。