机械手轨迹规划与仿真

摘要

机器人的轨迹规划在机器人的控制中具有重要的地位。良好的轨迹规划是机械手平稳、安全地避开障碍物，完成作业任务的保证。本文根据机器人学的相关理论，以PUMA560为研究对象，建立的D-H坐标系，在关节空间内，运用推广的三次多项式插值法进行了过路径点以满足避障要求的机械手轨迹规划，并且采用MATLAB 软件对具体的规划实例进行了运动仿真，主要绘出了机械手各关节的角位移、角速度和角加速度曲线。结果显示，每条曲线都是连续而光滑的，保证了各关节的运动平稳性，说明此次规划完全符合要求。

由此可以得出结论，过路径点的三次多项式插值法不仅能满足机械手速度和加速度的连续性要求，而且能通过主动选择路径点以满足避障要求。这种轨迹规划方法可以很好解决机械臂在工作过程中的平稳性、实时性等问题，而且简单易行。

关键词：轨迹规划；多项式插值；避障；MA TLAB仿真

Abstract

Robot’s path planning plays an important role in controlling the robot.Good trajectory planning can guarantee manipulator avoid obstacles and finish the tasks smoothly and safely. Based on the theory of robot kinematics,this article use PUMA560 type mechanical arm to detablish D-H coordinate system and make trajectory planning by using extent cubic polynomial interpolation in joint space to meet the requirements of avoiding obstacles,and then use MA TLAB software example for the planning,and mainly draw angular displacement,velocity and angle acceleration curve of each joint.The result show that every curve is continuous and smooth so it can guarantee the stability of each joint movement.So this trajectory planning fully meet the requirements.

So it comes to a conclusion that the cubic polynomial interpolation method can not only satisfy the requirements of continuitiy of the robot velocity and acceleration,but also can avoid obstacles by choosing path piont actively. This method of the path planning can make sure the manipulator working steadily in the course of its work well and can also solve the problem of the accuracy and the real-time characteristic,and it is easy to perform.

Key words:Path planning;Polynomial interpolation; avoid obstacles;Matlab simulation

目录

第一章绪论 (1)

§1.1研究背景和意义 (1)

1.1.1 机器人轨迹规划的定义 (1)

1.1.2 避障轨迹规划的意义 (1)

1.1.3 轨迹规划研究的现状 (2)

§1.2研究内容 (2)

第二章机械手模型的建立 (4)

§2.1 PUMA560机械手连杆坐标系的建立 (4)

§2.2 PUMA560机械手运动方程的建立 (6)

§2.3 PUMA560逆向运动方程的建立 (7)

第三章机械手轨迹规划 (9)

§3.1 轨迹规划的概述 (9)

§3.2 轨迹规划的一般性问题 (10)

§3.3 轨迹规划的具体方法 (10)

第四章机械手轨迹规划仿真 (14)

第五章总结 (18)

结束语 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

附录 (22)

第一章绪论

§1．1 研究背景和意义

1.1.1 机器人轨迹规划的定义

工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开示链[1]。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸、上臂、下臂，机械手的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。机械手的末端装有末端执行器或相应的工具，常称为手或手爪。目前，工业机器人广泛应用于工业生产中，大都用于简单、重复、繁重的工作，如上下料、搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如喷漆、焊接、清砂和清理核废料等。

机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度、加速度。机械手在作业空间要完成给定的任务，其手部运动必须按一定的轨迹进行，轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。

1.1.2避障轨迹规划的意义

机械手轨迹规划的好坏，直接影响机器人作业质量，比如当关节变量的加速度在规划中发生突变时，将会产生冲击，若机器人固有平率较低将产生低频振动，机器人启动和停止时手部抖动就是这种现象的表现[2]。由于机器人工作的特殊性要求机器人运动时保证有足够的安全性，在机器人工作前需要进行严格的路径规划。其中，机器人各个关节能够连续地运动以使各机械臂运动时不产生大的扰动是保证安全的关键。

另外，机械手在作业的过程中，由于环境的复杂性和多变性，难免会遇到障碍物，这就要求我们规划出一条合理的运动路径，使得机械手在运动过程中避开障碍物，不仅要保证机械手的运动安全性，而且能满足动力学的要求。