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。     

关节空间样条的连续点位运动规划算法

为了提高工业机器人的运动平稳性和快速性,保证机器人在走曲线时能够准确到达各示教点并且实现平滑过渡,提出一种基于关节空间样条的连续点位运动规划算法。以关节空间的单个轴为例,从一般三阶S曲线轨迹出发,为了保证规划得到的加速度不跳变以及样条曲线能够保形,在两个相邻示教点之间插入n个中间点,将一段轨迹分为n+1段,根据该关节起点和终点的位置、速度和加速度以及插入点位置、速度、加速度连续的边界条件,可以得到新的规划轨迹。最后通过实验比较验证,该规划算法能够快速实现过程点的准确到达并且加速度没有跳变、曲线能够保形,具有实际推广价值。     

机械手笛卡尔空间轨迹规划研究

研究PUMA560机械手在笛卡尔空间中的轨迹规划问题。通过分析机械手轨迹运动中的启停加减速和连续轨迹过渡算法,提出在机械手末端轨迹曲线的启停段加入正弦加减速过程,同时在连续轨迹的两条曲线间运用5次多项式过渡曲线的新算法,使得机械手末端轨迹速度连续平滑和加速度连续,有利于提高机械手的运行速度和减少机械手的机械本体的振动和关节磨损。该算法运用VC++6.0和Matlab联合编程并在计算机上仿真PUMA560机械手模型轨迹运动,验证通过轨迹规划算法。     

机器人的运动轨迹插值方法研究与分析

为了实现工业机器人手臂末端执行件在作业过程中的运动轨迹平稳、光滑且连续,同时关节运动轨迹中的速度、加速度变化光滑连续,且变化过程中不出现突变情况。基于NACHI的MZ07六自由度工业机器人,对其进行逆运动求解,在关节空间中,对过路径点的三次多项式、高阶多项式的插值算法进行研究与仿真。在过路径点的点到点(PTP)运动中采用三次与五次多项式结合的"353"多项式插值算法,并通过仿真,证明了"353"多项式插值能使各关节加速度变化得到平稳轨迹,并且降低了使用五次多项式插值后关节较高的最大加速度,使加速度变化更加平稳,减小了机构冲击。     

挖掘机的最优时间轨迹规划

利用分段的多项式插值方法对挖掘机自主作业时的运动轨迹进行规划,存在优化轨迹不平滑或各关节存在不必要的往复运动等问题,导致挖掘机各关节受到较大冲击,影响挖掘机的使用寿命。针对挖掘轨迹规划存在的问题,提出了基于4-3-3-3-4多项式的关节角度分段插值策略以实现挖掘机最优时间轨迹规划。该策略利用4-3-3-3-4多项式,以角速度和角加速度为约束条件,采用差分进化算法求取插值时间的最优值,得到了各关节最优角度曲线,实现了挖掘机最优时间轨迹规划。对基于4-3-3-3-4多项式分段插值策略进行仿真试验,并在相同条件下与其他多项式插值策略进行了对比。试验结果表明,该多项式插值策略得到的挖掘轨迹更加平滑,各关节能够以较小的角速度和角加速度的变化到达目标点,避免了各关节在运行过程中产生较大冲击,同时节省了工作时间,使得挖掘机自主作业更加平稳高效。     

SCARA机械手的轨迹规划及运动学分析

针对药品包装机(DPP-400铝塑平板泡罩机)上使用的SCARA机械手进行轨迹规划,使用运动学逆解求出目标点处各关节的变化量,采用五次多项式插值的关节空间规划法对机械手进行轨迹规划,并结合MATLAB软件的ROOT工具箱建立机械手的三维模型,通过仿真得到位移、速度和加速度3个光滑连续运动曲线;然后在ADAMS中建立1:1的虚拟样机简化模型,通过编写五次多项式驱动函数,仿真得到关节在X、Y、Z三个方向的光滑连续的受力曲线,最后综合分析运动曲线和受力曲线证明轨迹规划的函数满足使用要求。     

关节速度约束下六轴机械臂空间运动轨迹规划方法

六轴机械臂在空间运动时,极易因速度和加速度突变导致运动轨迹出现随机波动,无法做连续性的运动。基于此,提出一种关节速度约束下机械臂空间运动轨迹规划方法。从运动学正解和逆解2个方面对机械臂建模,利用上关节D-H法分析同一位姿下,基座与末端执行器间的总变换过程。将不同的关节转角组合,辅助后续最优轨迹规划。利用三次和五次多项式插值构建末端执行器的插值函数,以执行器在不同坐标下关节角度为参考变量,求得角度、角速度和角加速度的值,完成运动轨迹规划。仿真实验表明,所提方法的运动轨迹可保证机器人平稳运行,连续性得到提高,从起始点至终止点整个过程中都没有出现明显震动情况。     

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。     

改进三次样条插值在机械臂轨迹规划中的应用

针对传统三次样条插值在机械臂轨迹规划过程中关节轴易产生残余振动的问题,提出了一种三阶导数连续的改进三次样条轨迹规划方法.该方法在每一个三次样条插值的分段区间内都加入了一个修正因子,在第一个分段区间内的修正因子是五次修正函数,使关节轴起始加速度为零,其余分段区间均为六次修正函数,使关节轴运动轨迹的三阶导数连续和终止位置的加速度为零.本文对六关节轴机械臂选取了20个节点进行轨迹规划仿真,结果表明改进的样条插值方法在机械臂轨迹规划中得到了连续的三阶导数轨迹,有效减小了关节轴的残余振动.     

机场行李装载机器人的轨迹规划研究

以机场行李装载机器人为研究对象,对其装载作业中的轨迹规划进行了研究。结合实际需求,对机器人末端轨迹设置关键路径点,建立点到点的运动轨迹。用MATLAB对3-3-5多项式插值法、3-5-3多项式插值法、4-3-4多项式插值法、5-3-5多项式插值法、3-4-5多项式插值法进行仿真。对比仿真结果,5-3-5多项式插值法在参数曲线光滑连续方面优于其他几种方法。以时间最短为优化目标,用遗传算法对5-3-5多项式插值方法进行优化。结果表明,该方法可以在时间最优的同时,各关节角度、角速度和角加速度曲线光滑连续,机器人可以平稳运行,顺利避开障碍物,满足设计要求。     

基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划

设计一种新型的5-DOF上肢外骨骼康复机器人,首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H参数法建立了该机器人的D-H坐标,根据其坐标求出了其正,逆运动学方程。为了使病患的康复训练具有舒适性和平稳性,提出了一种基于相同时间插值点的用四次多项式过渡的线性插值函数,用来规划上肢外骨骼康复机器人的轨迹。最后进行了单个和多个关节的轨迹规划,并通过求出的正运动学方程和插值函数作出末端位移、速度和加速度的图像,并在Adams中对用1:1模型建立的上肢外骨骼康复机器人进行实体仿真,来验证此方法的正确性和可行性。通过对单关节和多关节轨迹规划参数的分析,然后将其结果与Adams中的仿真数据进行对比,证明了该方法的可行性和稳定性,可以被用在康复机器人的轨迹规划中。     

基于混合蜜獾算法的机械臂最优运动规划方法

针对六自由度机械臂末端执行器路径及关节空间下轨迹的规划问题,提出一种基于混合蜜獾算法和 3-5-3 分段多项 式插值的最优运动规划方法,实现机械臂末端执行器运动路径最短及关节运动时间最优,并有效降低优化路径与规划路径的差 异。 首先,以标准蜜獾算法框架为基础,在初始化、全局寻优与局部探索中采用混沌反向学习、转移算子、正弦余弦算子以及自 适应扰动系数策略,提高最优解质量与寻优能力,并据此设计机械臂末端执行器无碰撞、最短路径规划方法,引导关节轨迹规划 过程;其次,在关节空间下,利用混合蜜獾算法寻找各关节最优运动时间,在此基础上,利用 2 次 3-5-3 分段多项式插值算法, 在满足各关节位移、速度、加速度约束的条件下,完成机械臂关节平滑且时间最优的轨迹规划;最后,通过与其他规划方法仿真 对比,验证提出的方法能够使规划路径长度缩短,关节运动时间减少,优化路径与规划路径差异较小,并以 UR5 机械臂抓取实 验为例检验了该方法的可行性。     

六关节工业机器人最短时间轨迹优化

在应用于多车型汽车生产流水线的六关节工业机器人设计过程中,以实现轨迹规划时间最优为目标,对机器人的速度、加速度以及加加速度进行约束,在三次多项式插值的基础上,利用Matlab遗传算法工具箱对机器人的运动轨迹进行最短时间优化,并运用Matlab实现轨迹规划仿真。实验结果表明,基于遗传算法的三次多项式插值在保证机器人运行曲线连续平滑的同时也保证了机器人轨迹运行时间最短,提高轨迹规划的科学性、实用性与可行性,为机器人控制提供了有效依据。     

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。     

基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划

基于多项式插值的机械臂轨迹规划具有阶次高、凸包性质不够好以及计算复杂特点,传统优化方法难以对其进行优化,提出了基于惩罚函数法的时间最优机械臂轨迹规划方法。该方法首先以机械臂在静态环境下点到点的运动时间最短作为优化目标,以机械臂关节的角度、角速度、角加速度作为约束参数,利用5-5-7-5次多项式对关节空间轨迹进行插值,然后运用惩罚函数法计算多项式插值时间,最后得到关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线。将该方法应用于6自由度PUMA560机器人,结果表明,相较于优化前,优化后在关节的运动角度曲线、运动速度曲线、运动加速度曲线的平顺性变化不明显的情况下,关节运行时间明显缩短了,机械臂的运行效率提高了。     

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.     

基于自适应粒子群算法的FS20N机器人时间最优轨迹规划

针对通用型机器人,以运行时间最短为目标,提出一种基于自适应粒子群(APSO)时间最优轨迹规划算法。在关节空间轨迹规划中,逆解得到关节变量与时间的关系,以此建立五次多项式关节变量与时间的插值轨迹。然后,利用罚函数对其关节角度、关节速度、关节加速度进行处理,同时以插值关节各点间的时间间隔之和为优化目标,采用自适应粒子群算法进行优化求解,得到时间最优的轨迹。最后,利用MATLAB仿真软件,建立川崎FS20 N仿真模型进行验证,得到运行平稳且时间最优的运行轨迹图,仿真结果验证了该算法在轨迹规划中的可行性。     

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。     

加加速度连续有界的PTP运动轨迹规划研究

针对SCARA机器人高速PTP运动时的轨迹跟随误差和力矩突变问题,提出两种关节空间加加速度连续有界的PTP运动轨迹规划方法。分别通过关节空间的九次多项式和三角函数两种形式进行PTP轨迹规划,保证规划的轨迹速度、加速度在限定范围内,加加速度值连续且有界。实验表明,相比较梯形速度曲线,三角函数和9次多项式的PTP轨迹规划分别将关节空间轨迹跟随误差降低了0.16°和0.33°,轨迹跟随的定位时间明显减小,关节驱动力矩的突变、振荡情况得到有效的改善。     

基于多项式插值的五自由度机械臂轨迹规划方法研究

根据机械臂的特殊结构,利用几何法进行机械臂的逆运动学求解。分析了机械臂末端抓手线速度、线加速度和关节角角速度、加速度的关系,对雅各比矩阵的奇异性进行了分析。分别利用三次插值和五次插值的方法对机械臂点位作业和连续路径作业进行关节空问轨迹规划。仿真结果表明插值算法实现了机械臂的轨迹规划要求。