三自由度Delta并联机械手轨迹规划方法*

以三自由度Delta并联机械手为研究对象,针对其高速搬运作业下的操作空间和关节空间的轨迹规划策略进行研究。结合实际作业需求,对机械手末端运动轨迹的关键路径点进行设置,建立点到点的搬运作业轨迹。以机械手运动学逆解模型为基础,在操作空间利用3-4-5次多项式运动规律建立操作空间运动特征到关节空间运动特征的映射关系。以机械手运动学正解模型为基础,在关节空间利用五次非均匀有理B样条(NURBS)运动规律建立关节空间运动特征到操作空间运动特征的映射关系。在运动轨迹关键点位置及运动时间相同的条件下,对两种轨迹规划方法进行计算机仿真,对比分析机械手关节角度、角速度和角加速度等运动特征,并通过物理样机试验进行验证。结果表明关节空间内基于五次非均匀有理B样条运动规律的轨迹规划方法在减小运动过程中机械手振动和降低电动机功耗等方面优势明显。     

基于非均匀B样条曲线的挖掘机最优时间轨迹规划

为了实现挖掘机器人平稳、高效率地完成给定挖掘任务,提出了非均匀B样条曲线的轨迹规划方法。利用3次非均匀B样条曲线,在关节角速度、角加速度和角加加速度的约束条件下,在关节空间对挖掘机进行轨迹规划。采用自适应粒子群优化(APSO)算法求取插值时间的最优值,优化得出各个关节角度的最优时间曲线,从而得到末端挖掘轨迹,在相同的约束条件和优化方法下,采用5次非均匀B样条关节曲线进行对比。实验结果表明:低阶次的非均匀B样条曲线既可以实现各个关节高效平稳的到达给定目标点,而且还可以减少曲线摆动,从而减小对挖掘机的磨损,延长其使用寿命。     

基于NURBS的挖掘机自主控制铲斗轨迹规划方法

针对反铲斗挖掘机机器人化作业特点,提出一种基于非均匀有理B样条(NURBS)的挖掘机自主控制轨迹规划方法.利用该方法可以生成速度、加速度连续的挖掘轨迹.尽量避免了挖掘过程中的挖掘物对于铲斗的冲击.为了进行计算机控制,提出平均等分参数和一阶泰勒近似方法细化获得离散控制点的方法.结合挖掘机机器人化控制结构进行了仿真,结果证明该方法具有光滑的路径,且轨迹规划误差小的特点.     

基于高阶非均匀有理 B 样条插补的多轴运动控制方法研究

针对传统多轴运动控制系统在作业中存在轨迹转折处不平顺、加速度和加加速度切换不平滑产生变速冲击以及轨迹不能进行局部修改的问题,提出了一种基于高阶非均匀有理 B 样条插补的多轴运动控制算法。首先,构建五次非均匀有理 B 样条插补算法,对样条曲线数据进行预处理,根据非均匀有理 B 样条曲线反算出控制点并生成控制多边形;其次,利用 MATLAB 构建多轴机械臂和高阶非均匀有理 B 样条插补算法模型,通过给定型值点进行轨迹规划仿真。仿真结果表明:基于高阶非均匀有理 B 样条的多轴运动控制插补方法相对于低阶非均匀有理 B 样条曲线轨迹更圆滑,末端更能高效平稳地到达给定目标点;速度、加速度和加加速度的过渡更加平滑减少机械磨损,从而提高了运动的平稳性;并且该方法还能够对运动轨迹进行局部修改,提升了多轴运动控制的作业质量。     

自主挖掘的平滑连续特性轨迹规划研究

为保证自主挖掘过程的平稳连续,通过对比选取了一种合理的轨迹规划方法.以某型挖掘机为研究对象,在笛卡尔坐标空间对一次作业路径进行规划.在关节空间对多个路径控制点在不同条件下分别采用n次多项式、傅里叶级数拟合法、分段多项式插值法进行轨迹规划;通过MATLAB仿真平台得到的各关节的关节角、角速度和角加速度的变化曲线是平滑连续的;对于函数拟合法与分段多项式插值法进行了动力学特性比较,结果表明,函数拟合法的轨迹规划更加合理,它可以使机构工作更加平稳连续,对机构的振动冲击强度也较低,能很好地满足实际工作中自主挖掘的要求.     

一种气门电镦成型机器人轨迹规划与仿真研究

运用D-H法建立气门电镦成型机器人数学模型,并进行运动学正逆解。根据实际现场对机器人运动路径要求,规划其运动路径,现场通过示教获取机器人运动关键点,并在关节空间进行B样条曲线轨迹规划研究,获取关节空间轨迹运动函数表达式,并利用Matlab工具对规划轨迹进行仿真模拟。结果表明利用该方法能生成一条关节位移、速度、加速度都连续的平滑运动轨迹,以保证机器人工作时按规定的路径平稳地运行,且能顺利避开障碍物,满足设计和使用要求。     

一种机械臂最优时间-冲击轨迹优化算法

针对工业机械臂执行效率以及运动过程中的冲击产生振动、机械磨损的问题,提出了一种机械臂的最优时间-冲击轨迹规划方法,优化机械臂关节运动时间和加加速度(冲击)两个耦合且矛盾的运动性能指标。通过逆运动学可以将机械臂执行的运动轨迹转换为在关节空间中的位置-时间序列,采用5次非均匀B样条函数在关节空间内构造插值曲线,用各阶B样条曲线控制顶点的约束代替机械臂的运动约束,利用NSGA-II(Non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)对目标函数进行优化。仿真结果表明,采用5次非均匀B样条函数插值,对运动时间和冲击进行优化的运动轨迹,提高了机械臂的执行效率,保证了运动过程中产生较小的冲击,使得机械臂的运动控制性能得到了提高。     

基于对偶四元数的五轴等距双NURBS刀具路径规划

针对由离散刀位构成的一阶线性不连续刀路影响机床运动平稳性的问题,提出在工件坐标系下对线性刀路进行光顺,获取满足精度且达到G1以上连续的等距双非均匀有理B样条刀具路径。采用对偶四元数描述五轴刀位,利用对偶四元数B样条矢量函数拟合线性刀路,获取五轴联动的刀具B样条运动轨迹,插值得到描述刀具中心点和刀轴点运动轨迹的等距双非均匀有理B样条曲线刀具路径。算例表明,采用本算法对工件坐标系中的线性刀路进行光顺,在提高刀具轨迹运动平稳性的同时,可以获得满意的加工精度,适用于五轴高速精密加工。     

基于凸优化的举高消防车时间最优轨迹规划

为提高举高消防车作业的及时性、可靠性与安全性,提出一种考虑动作平稳、无冲击的时间最优轨迹规划算法。引入伪位移参量s表示路径,利用B样条曲线对举高消防车臂架系统各个关节运动离散点进行拟合,构造连续运动几何路径。结合连续路径,以s及其对于时间的各阶导数表示时间最优目标函数与各个关节速度、加速度约束,建立时间最优轨迹规划的凸优化模型。利用B样条曲线以有限维矢量x表示轨迹,采用内点法对凸优化模型进行求解,在保证速度、加速度、加加速度连续的条件下求得最优解,进而得到各个关节的运动轨迹。利用提出的方法对大高度举高消防车进行轨迹规划,经仿真表明,在满足动作平稳性的同时得到时间最优运动轨迹。     

面向五轴加工的等距双NURBS刀具路径同步插补方法

针对由离散刀位点数据生成的五轴加工等距非均匀有理B样条曲线刀具路径中两条非均匀有理B样条曲线参数不同步的问题,建立了一种等距双非均匀有理B样条曲线参数的同步模型,实现等距双非均匀有理B样条曲线刀具路径插补过程中两条非均匀有理B样条曲线参数的同步运动。将三轴非均匀有理B样条曲线插补算法应用于五轴加工等距双非均匀有理B样条曲线刀具路径中的刀具中心点非均匀有理B样条曲线,根据参数同步模型将插补算法同步到刀轴点非均匀有理B样条曲线中。仿真表明,采用该算法能够使刀具始终沿着等距双非均匀有理B样条曲线刀路进行同步插补,参数同步插补精度主要集中在10-6 mm级数上,适用于复杂曲面的五轴加工。     

基于人工免疫-改进粒子群优化算法的机械臂轨迹规划研究

焊接机器人运动轨迹复杂、控制精度要求高。提出了一种满足多目标约束的轨迹规划方法。针对机器人轨迹平滑性要求,以5次非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS）曲线为基础,对笛卡儿空间路径点进行参数化表达;根据工业机器人路径约束及工况需求,选取时间、能耗、跃度3个运动学指标作为目标优化函数,采用人工免疫双态粒子群进行轨迹优化;为了平衡粒子“探索”与“利用”,增加双模态模型,引入人工免疫系统,提升了粒子多样性与后期收敛能力;根据Pareto解集得到满足约束的焊接机器人各关节最优轨迹,通过Matlab仿真证明了方法的有效性;最后,针对空间相贯曲线焊缝进行了焊接试验。结果显示,规划的轨迹符合实际工程需求。     

工业机器人时间-能量-脉动最优轨迹规划

针对工业机器人时间最优、能耗最优、脉动最优等多目标的轨迹优化问题,基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线矩阵表示法,提出一种最优轨迹规划方法。建立五次NURBS曲线数学模型,构造端点运动参数均可指定的高阶连续的关节运动轨迹,确保机器人的运动性能;在考虑机器人运动学约束的条件下,采用多目标粒子群优化算法(MOPSO)以工业机器人运行时间、能量消耗和轨迹脉动为目标对其运动轨迹进行优化,获得Pareto最优解集。对六自由度STANFORD机器人的仿真结果表明,提出的轨迹规划方法可以很好地构造平滑轨迹,MOPSO算法能够实现满足约束条件的运动轨迹多目标优化,得到理想的Pareto分布。最后,为方便期望解的选择,构造归一化权重目标函数,获得高阶连续的优化轨迹。     

工业机器人时间-能量-脉动最优轨迹规划

针对工业机器人时间最优、能耗最优、脉动最优等多目标的轨迹优化问题,基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线矩阵表示法,提出一种最优轨迹规划方法。建立五次NURBS曲线数学模型,构造端点运动参数均可指定的高阶连续的关节运动轨迹,确保机器人的运动性能;在考虑机器人运动学约束的条件下,采用多目标粒子群优化算法(MOPSO)以工业机器人运行时间、能量消耗和轨迹脉动为目标对其运动轨迹进行优化,获得Pareto最优解集。对六自由度STANFORD机器人的仿真结果表明,提出的轨迹规划方法可以很好地构造平滑轨迹,MOPSO算法能够实现满足约束条件的运动轨迹多目标优化,得到理想的Pareto分布。最后,为方便期望解的选择,构造归一化权重目标函数,获得高阶连续的优化轨迹。     

基于五次NURBS的机械臂时间-能量-平滑性多目标轨迹优化

针对机械臂运动需满足快速性、低能耗和低冲击的问题,建立五次非均匀有理B样条(NURBS)曲线数学模型,构造端点运动参数均可指定的高阶连续的关节轨迹,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)以运行时间、能量消耗和轨迹平滑性为目标对机械臂运动轨迹进行优化,获得Pareto最优解集。对六自由度机器人的仿真结果表明,高次NURBS曲线可以很好的构造平滑轨迹,NSGA-II算法可对五次NURBS曲线轨迹实现有效的多目标优化,得到理想的Pareto分布。通过构造归一化权重目标函数,选择期望解,获得高阶连续的优化轨迹。     

基于时间近似最优挖掘轨迹生成框架

为提高挖掘机自主作业的效率,针对一个完整的挖掘周期提出了一种时间近似最优挖掘轨迹生成框架。结合人工操作的经验进行分析,完成挖掘机的运动状态估计。利用三次样条曲线表示挖掘轨迹,并设定始末位置的速度和加速度,生成平滑的轨迹。采用改进的粒子群算法求取此类非线性规划问题,生成时间近似最优挖掘轨迹。为了验证该框架的可行性,对挖掘机工作时各关节的角度进行现场测量,将优化后的结果与现场试验数据进行对比。结果表明：提出的时间近似最优挖掘轨迹生成框架有效提高了自主挖掘机作业效率,为时间最优轨迹生成问题提供了一种解决方案。     

基于时间-平滑性多目标的机械臂轨迹规划

针对机械臂工作效率及工作中产生振动、磨损的问题,利用5次非均匀B样条曲线(NURBS),在关节空间中建立曲线端点的一阶导数与二阶导数均可指定的时间-位置曲线,通过引入NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II)优化算法以运行效率最优与振动冲击最小为优化目标对机械臂运行轨迹进行优化,得到Pareto最优解。对6R机械臂的仿真结果表明,由5次非均匀B样条曲线构造的轨迹提高了运行效率并减小了机械臂在运动过程中产生的振动与冲击,使得机械臂获得更优的工作性能。     

机械手时间最优脉动连续轨迹规划算法

为使机械手的作业效率达到最优,同时确保运动的平稳性,提出一种新的最优轨迹规划方法。通过逆运动学运算得到与任务空间轨迹对应的关节空间位置序列,采用7次B样条曲线插值方法构造启动和停止运动参数可控,且速度、加速度和脉动均连续的关节轨迹。将机械手运动学约束转化为B样条曲线的控制顶点约束,采用序列二次规划方法求解最优运动时间节点,进而规划出满足非线性运动学约束的时间最优脉动连续轨迹。仿真和试验结果表明,提出的轨迹规划方法为关节控制器提供理想的轨迹,使机械手在最短的时间平稳地跟踪任务空间的任意指定轨迹。     

关节一体化机器人运动控制与B样条曲线

针对关节一体化机器人在高速复杂运动下需要能够运动行走、保持手臂平滑。首先利用MDH法建立了转换坐标系,得到了各关节连杆的相对关系。其次,针对关节一体化机器人空机械手的特点,在分析了非均匀B样条曲线后,将非均匀B样条曲线应用到机器人机械手的轨迹规划中去。最后将运动学算法和非均匀B样条曲线进行了实验,通过仿真实验可以看到这种方法可以解决机器人准确经过多个中间插补位姿的难题。实验结果表明,运动学算法和非均匀B样条曲线算法具有很好的鲁棒性对于机器人的精确运动控制有着重要的意义。     

矿用大型挖掘机器人轨迹规划与控制

为提高矿用大型液压挖掘机的自动化水平,适应挖掘工况,设计了一种基于倾角传感器检测反馈的轨迹规划与控制系统。对目标挖掘机D-H建模,确定了其运动学正解及位姿表示;提出了一种适应性运动学逆解方法,提高了轨迹规划的柔性;建立了关节空间-驱动空间-检测空间的转换关系;对常见的挖掘卸料工况进行了轨迹规划,得到了液压执行器的位移目标曲线;通过上位机输出控制信号,控制比例多路阀开口,实现了执行器位置伺服。以95 t大型矿用挖掘机为试验对象,进行了挖掘轨迹规划与控制试验。试验结果表明,通过轨迹规划得到的各执行器目标曲线平滑连续,多执行器动作协调且铲斗位置精度较高,初步实现了自主挖掘作业。     

六关节机械臂的轨迹规划

以六关节机械臂为研究对象,采用B样条曲线进行轨迹规划.在轨迹规划时,在给定轨迹上插值,得到中间插值点.基于逆运动学将这些中间插值点转换至关节空间,得到关节角度值,从而将笛卡尔空间的轨迹约束转换至关节空间,进而用B样条曲线拟合出各关节轨迹.应用ADAMS软件进行轨迹规划仿真,得到各关节角位移、角速度、角加速度变化曲线,进而明确后续研究目标.