机器人的运动轨迹研究与仿真

为研究六自由度机器人的运动学问题,以MZ07六自由度机器人为研究对象,应用D-H法对机器人建立关节坐标系并确定杆件参数,从而建立机器人的运动学模型。在MATLAB环境中,对机器人进行正、逆运动求解,在关节空间里,通过多项式插值对各个关节进行轨迹规划,并完成各关节的角度位置、角速度和角加速度的变化轨迹图像。通过仿真结果,可以得到多项式插值可以使机器人各个关节运动时位置、速度以及加速度的变化情况,且变化曲线光滑、连续,并在MATLAB三维图中直观看到机器人手臂的位姿状态,从而验证了机器人结构参数的正确性,以及多项式插值能够保证达到期望轨迹。同时MATLAB仿真为机器人的运动学问题、结构设计等方面提供了研究平台。     

介入机器人运动学及轨迹规划研究

针对介入机器人运动学和轨迹规划问题,基于D-H坐标系理论建立了血管介入主端机器人的运动学方程,并对该方程进行了求解;其次,在关节空间内采用五次多项式插值方法,结合介入机器人运动参数对关节轨迹进行了插值计算,实现了对血管介入机器人关节空间的PTP轨迹规划;最后,利用Matlab机器人工具箱建立了该机器人的三维仿真模型,并且对机器人运动学、轨迹规划进行了仿真验证。研究结果表明:该机器人连杆参数设计合理,活动空间适应手术要求,运动学方程准确可靠,在关节空间内利用五次多项式进行轨迹规划保证了机器人运动连续平滑。目前该技术已应用于血管介入手术临床试验中。     

一种五自由度混联机器人轨迹规划研究

以一种五自由度混联机器人为研究对象,采用矢量法和空间几何解析法分别建立了机器人并联部分和串联部分位置正反解的封闭解模型,在关节空间中利用五次多项式插值算法对机器人进行轨迹规划,并在给定运动插值时间和过预设路径点的条件下,通过MATLAB软件仿真绘制五次多项式插值运动规律下机器人的运动学图像。仿真结果显示,采用五次多项式插值算法保证了机器人有连续光滑的位置、速度和加速度曲线,为该机器人进一步针对轨迹控制研究奠定了理论基础。     

焊接机器人运动学分析及轨迹规划研究

针对梁构、石化容器等大型焊件普遍存在的焊接难的问题,研制了一种新型7自由度大型焊接机器人.首先,分析了该机器人的机械结构,基于D-H坐标系理论建立了机器人的运动学方程,并对该方程进行了求解,得到了其运动学正反解;其次,在关节空间内,采用过路径点的三次多项式插值方法,结合机器人操作空间运动参数对关节轨迹插值计算,实现了对机器人关节空间的轨迹规划;最后,在Matlab7.8平台上,利用机器人工具箱建立了该机器人模型,并且对机器人运动学、轨迹规划进行了仿真分析.仿真及研究结果表明:该机器人各连杆参数的设计是合理的,在关节空间内利用三次多项式进行轨迹规划具有可行性;同时,这也为机器人动力学的研究打下了基础.目前该技术已应用于机器人的点焊及角焊的现场作业中.     

基于遗传算法的6-DOF机器人最优时间轨迹规划

针对机器人在特定工作坏境下工作效率低的情况,提出一种以时间为最优的轨迹规划方法。采用七次B样条曲线完成机器人各关节位置-时间序列的插值,并将运动学约束转化为B样条曲线控制顶点的约束,以机器人关节轨迹运行时间最优为优化指标,采用遗传算法对轨迹曲线执行时间最短寻优,规划出满足运动学约束及力矩平滑的时间最优轨迹。实验结果表明,该规划算法能够明显减小加加速度的累积效应,提高机器人执行轨迹的最优时间。     

基于改进萤火虫算法的机械臂时间最优轨迹规划

以国产某型号六轴工业机器人为研究对象,针对六轴机器人关节空间的轨迹规划问题,提出了一种基于改进萤火虫算法的时间最优3-5-3多项式插值轨迹规划算法.首先,由给定的机器人末端路径点求逆运动学得到关节空间下的路径插值点.然后,在速度约束条件下,利用萤火虫算法对插值结果进行优化,使得机器人具有最优运行时间.通过与传统萤火虫算法对比,改进后算法的收敛速度和精度都有明显改善.最后,应用MATLAB软件仿真出机械臂运动位置、速度、加速度曲线,并用实体机器人验证.结果表明,该方法使得机械臂具有更短的运行时间,稳定性更高.     

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。     

多约束条件下的机器人时间最优轨迹规划

提出了一种工业机器人时间最优轨迹规划及控制的新方法。对于笛卡尔空间中给定路径上的离散路径点,通过运动学逆解求得与之对应的关节节点序列,采用三次样条插值方法构造各关节位移、速度、加速度均连续的轨迹。在考虑关节空间中速度、加速度、加加速度约束条件的同时,确保机器人在笛卡尔空间各离散路径点处满足由给定路径所决定的速度约束条件,减小机器人运动路径与给定路径之间的误差。采用序列二次规划法求解上述非线性约束优化问题,进而规划出沿特定曲线方程运动的机器人时间最优轨迹。最后将上述算法应用于剪带机器人,证明了该算法的有效性和可行性。     

手术机器人高阶多项式插值的轨迹规划

为保证运动的平稳性,要求手术机器人关节空间的位移、速度光滑连续,为此提出了基于高阶多项式插值的轨迹规划方法。根据手术要求,在机器人末端的笛卡尔空间中规划出轨迹。选取轨迹上若干个路径点,运用运动学逆解求出关节空间中的若干个型值点。通过对相邻型值点进行高阶多项式插值,得到关节空间连续光滑的位移函数;对位移函数求导可以得到各关节连续光滑的速度函数。利用MATLAB进行仿真,得出每个关节的连续光滑的角度、速度曲线,精度很高。表明该方法完全可行,能够满足机器人平稳性的要求。     

一种新型板材安装机器人的空间直线轨迹规划

针对自主研发的建筑板材安装机器人进行了空间直线轨迹规划的研究。对该机器人进行了运动学分析,并在关节空间中运用模拟CP控制方法配合五次多项式插值进行轨迹规划,从而保证了在运动控制中各关节运动的实时同步性和速度连续性。借助Matlab机器人工具箱和Labview编程软件进行了仿真与实验,完成了对机器人末端空间直线轨迹规划的任务。     

装砖码垛机器人时间-冲击最优轨迹规划

为了提高装砖码垛机器人的工作效率,同时减小振动对机器人的影响,基于三次样条插值法,提出一种使机器人轨迹最优的规划方法,对各关节进行轨迹规划。利用权重系数法定义目标函数,以运动学和动作时间为约束条件,使码垛机器人在运行过程中其时间和冲击达到综合最优。采用遗传算法求解出最优时间序列,进一步求解出最优轨迹。研究结果表明:末端轨迹跟踪误差在合理的范围之内,该方法在装砖码垛机器人轨迹规划方面是可行的、合理的;可以为工作效率与冲击等矛盾问题到达综合最优提供一种解决方案。     

基于双S形速度曲线的混联码垛机器人轨迹规划

针对搬运码垛机器人快速与平稳的运动控制问题,对码垛机器人在关节空间中运动轨迹规划方法进行了研究,提出了基于双S型速度曲线的码垛机器人轨迹曲线的规划方法。以混联式圆柱坐标构型的码垛机器人为研究对象,首先在机器人正、逆运动学分析的基础上,获取了机器人各个关节位置相对时间的序列值;其次,在关节空间中引入双S型速度曲线对机器人进行了各个关节的插值计算。仿真结果表明:该轨迹规划方法保证了机器人关节位移、速度、加速度、Jerk曲线的连续光滑,有效解决了码垛机器人在频繁地快速启动与停止过程中对机械结构产生的冲击和磨损问题。     

基于标定和关节空间插值的工业机器人轨迹误差补偿

轨迹精度是工业机器人重要的动态性能,目前工业机器人的轨迹精度远低于定位精度,提出一种基于机器人运动学标定和关节空间插值误差补偿的方法来提高机器人轨迹精度。基于MD-H方法建立机器人的运动学模型,在此基础上运用机器人微分运动学理论建立末端位置误差模型和轨迹误差模型。为克服最小二乘法等传统方法在数据噪声较大且不符合高斯分布时收敛慢甚至发散的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人运动学参数辨识方法,实现运动学参数辨识的快速收敛。经过分析发现机器人误差在关节空间具有连续性的特点,为此提出一种关节空间插值误差补偿方法,建立网格形式的误差补偿数据库,并利用关节空间距离权重函数和已知的网格顶点误差计算各控制点的关节转角误差。通过试验对所提出的参数辨识和关节空间误差补偿方法进行了验证,试验结果表明：经过运动学参数辨识和补偿后机器人的绝对定位精度由1.039 mm提高到0.226 mm,轨迹精度由2.532 mm提高到1.873 mm,应用关节空间插值误差补偿后机器人的轨迹精度进一步提高到1.464 mm。     

基于MATLAB-Robotics工具箱的工业机器人轨迹规划及仿真研究

对Cincinnati T3-746工业机器人的运动学轨迹规划进行了分析与仿真。通过实验对该工业机器人的三关节的关节轨迹进行了三次多项式插值运算。利用MATLAB-Robotics工具箱对该工业机器人进行了建模,实现了对工作空间内任意直线、圆弧轨迹拟合插值运算。通过运动学正反解的计算,得到了实时的关节空间坐标的数值解。为该工业机器人进一步的研究和应用提供了理论分析依据。     

基于重心稳定约束的下肢外骨骼助行机器人静稳定步态规划方法

针对步态规划中仅用几个参数确定机器人关键位置、再对关键位置进行插值或多阶曲线拟合而导致的实际重心轨迹与目标轨迹相差较大的问题,对下肢外骨骼机器人步态规划方法进行了研究,提出了一种逆向的利用遗传算法直接根据重心求解关节位置的方法。采用D-H法对下肢外骨骼机器人进行了运动学建模,得到了重心与机器人关节位置之间的关系。基于稳定裕度最大规划了机器人的重心轨迹。在几何关系约束下采用遗传算法求解了各关节位置,并根据逆运动学模型得到各关节转角值,使实际重心轨迹与目标轨迹高度吻合。最后,进行了机器人带动穿戴者行走实验。实验结果证明:该规划方法具有可行性和有效性。     

一种基于多项式和Newton插值法的机械手轨迹规划方法

针对机械手多工位多节点的作业任务,提出了在关节空间中采用多项式插值和Newton插值相结合的轨迹规划方法。该方法在起始段和终止段采用五次多项式插值,中间段采用Newton插值。将该方法用于一类四自由度平面关节机械手的轨迹规划中,实验结果表明,在给定的6个路径点的轨迹规划中,利用该规划方法可以获得连续的轨迹,满足机械手多工位操作的需要。     

六自由度机械臂轨迹规划的研究

为对六自由度机械臂进行轨迹规划,首先确定对六自由度UR10机械臂进行运动学建模,以齐次变换表述机械臂位姿,在此基础上采用D-H参数法对该机械臂进行位姿分析,并建立UR10机械臂运动学的数学模型。通过MATLAB机器人工具箱建立模型并对其进行仿真研究,得到其关节位置、速度及加速度的变化图和末端轨迹,最后通过五次多项式插值的方法对关节空间进行轨迹规划。仿真结果表明:所建立机械臂模型运行平稳,模型建立正确。     

基于粒子群算法的工业机器人多目标最优轨迹规划

轨迹规划是机器人运动控制的基础,考虑以时间、能耗和脉动三方面为多目标最优,对工业机器人AUBO-i10的轨迹规划问题进行研究。基于D-H法建立机器人正运动学方程,并仿真验证正运动学方程的正确性,同时利用蒙特卡洛法对机器人工作空间仿真分析。针对运行时间、能量消耗和轨迹脉动多目标综合最优问题,根据五次多项式插值方法,在保证运动学约束下,提出多目标粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对机械臂轨迹规划进行优化,并进行仿真分析。仿真结果表明,提出的五次多项式插值方法在准确地构造平滑轨迹的同时,又能通过粒子群算法完成运动学约束下的多目标优化,得到理想的Pareto分布。最后,构造目标函数,获得符合要求的优化轨迹,解决了运行时间过长,能量消耗过多和脉动冲击过大的问题,从而保证机器人高效运动。     

基于混合插值的工业机器人关节轨迹规划算法

B样条曲线由于其多阶导数连续和局部支撑性的特点,被广泛用于工业机器人关节空间的轨迹规划。标准B样条在起止点位置存在导数值的突变,致使工业机器人在启动和停止时产生振动。提出一种采用高次多项式与B样条混合插值优化的方法,使机器人关节运动学参数连续无突变,在不增加机器人控制系统运行负担的情况下,能够使机器人运行更加平稳,改善了机器人的运行状态。     

基于过路径点的三次多项式插值函数的仿蜘蛛机器人足路径规划

针对复杂隧道环境中机器人的避障问题,提出使用过路径点的三次多项式插值算法对机器人足运动路径进行规划。设计了一个能在隧道空间灵活运动的18关节六足仿蜘蛛机器人,运用D-H建模方法对仿蜘蛛机器人足进行运动学建模,并推导了逆运动学方程式,基于蒙特卡洛法对足端可达空间进行仿真分析,并基于过路径点的三次多项式插值算法对机器人足避障轨迹进行路径规划仿真。仿真结果表明,在仿蜘蛛机器人足路径规划中应用过路径点的三次多项式插值方法能保证步行足运动动作的平滑性,从而避免了因力矩突变引起的冲击作用,同时足端能通过路径点以满足避障要求。