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六自由度机器人加工路径的实时光顺与位姿优化研究

六自由度机器人加工路径的实时光顺与位姿优化研究

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作者：阿布力克木·阿地力华中科技大学

学位级别：硕士

六自由度机器人凭借成本低,灵活性高,工作空间大等优点,被越来越多的应用到机械加工领域。由于计算机辅助制造软件(CAM)软件生成的机器人运动直线命令在拐角处的低阶连续性,导致机器人加工精度和效率的下降。本文对六自由度机器人刀具... 详细信息

六自由度机器人凭借成本低,灵活性高,工作空间大等优点,被越来越多的应用到机械加工领域。由于计算机辅助制造软件(CAM)软件生成的机器人运动直线命令在拐角处的低阶连续性,导致机器人加工精度和效率的下降。本文对六自由度机器人刀具路径光顺与冗余自由度优化进行了研究。首先,针对微小线段构成的机器人线性命令在拐角处的切线不连续性问题,提出了基于构造非对称PH(Pythagorean–Hodograph)样条的局部光顺方法。其次,为解决现有的机器人冗余自由度规划方法未考虑整体路径的平滑性问题,提出了基于全局PH样条插值和多项式最优路径规划的机器人关节运动平滑方法。最终,在本文提出的方法基础上进行了软件开发与应用验证。本文主要研究内容和创新成果如下:1、机器人小线段路径非对称PH样条光顺。为了获得曲率更加平滑的刀具路径,本文提出了能充分利用光顺误差容许值的局部光顺方法。按照最大光顺误差容许值构建了拐角样条,并通过设计路径重叠长度计算构造了非对称样条曲线,从而解决了现有的对称样条方法的样条为避免样条重叠而过度缩短问题。实验结果表明,相比于现有的方法,本文所提出的非对称光顺方法在保证更低的跟踪误差下,降低小线段路径曲率极值46%,提高运动效率8.7%。2、基于全局PH样条的实时路径插值。为实现机器人加工路径的实时插值,分别对刀尖位置与刀具方向构建了C2连续的PH样条。通过引入四元数函数,实现了分段五次PH样条曲线的C2连续。实验结果表明,本文提出的样条插值方法可以实现机器人轨迹的曲率连续,且相对于现有路径光顺和插值方法可以在较低时间消耗下完成样条构建与弧长计算,足以实时执行。3、基于最优关节运动的机器人冗余角光顺。对机器人运动学模型进行建模,采用差分进化搜索算法获得了最小关节位移量冗余角初值。通过建立冗余角与刀尖位移的函数关系,实现了冗余角随着刀尖位移变化的全局平滑性。为保证关节运动平稳性,速度规划考虑了机器人关节运动速度和加速度约束。实验结果表明,相比于已有的方法,本文中的方法获得了更加平滑的关节运动,并缩短关节运动时间14%。4、软件开发与应用。在本文提出的光顺与加减速规划算法基础上,开发了机器人路径样条光顺与加减速优化软件,给用户提供了机器人路径光顺、加减速控制等功能模块,实现了机器人路径的高阶平滑和考虑关节动力学约束的加减速规划。最终,在UR10机器人平台进行磨抛加工验证,充分发挥全局样条和局部样条的优点对叶片加工路径进行了光顺。实验结果表明,本文提出的方法相比于已有的方法获得了更加平滑的机器人关节命令,以及更低的跟踪控制误差。

关键词：机器人刀具路径曲率最优 PH样条全局样条冗余角光顺实时插值

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