三维空间机械臂路径规划及减振运动控制

III
目录
摘 要............................................................... I Abstract........................................................... II 第一章 绪论......................................................... 1 1.1 前言 ........................................................ 1 1.2 机器人概述 .................................................. 1 1.2.1 机器人的发展 .......................................... 1 1.2.2 机器人的分类 .......................................... 2 1.3 机械臂避障路径规划概述 ...................................... 4 1.3.1 避障路径规划的定义..................................... 4 1.3.2 避障路径规划问题的特点................................. 4 1.3.3 避障路径规划问题的分类................................. 4 1.4 柔性机械臂振动控制研究现状 .................................. 6 1.4.1 柔性臂动力学模型的建立................................. 7 1.4.2 柔性臂的振动控制 ...................................... 8 1.5 本论文主要研究内容 ......................................... 10 第二章．三维 C 空间障碍的建立....................................... 11 2.1 C-空间障碍的定义 ........................................... 11 2.2 C-空间与 W-空间在路径规划中的比较........................... 11 2.3 障碍物环境的描述............................................ 12 2.4 空间映射的基本算法.......................................... 13 2.5 SCARA 型机器人模型描述..................................... 13 2.6.1 全干涉情形障碍的 C-空间障碍建立....................... 15 2.6.2 半干涉情形障碍的 C-空间障碍建立....................... 20 第三章．避障路径规划............................................... 26 3.1 C-空间障碍信息的描述 ....................................... 26 3.1.1 C-空间障碍栅格模型 ................................... 26 3.1.2 C-空间障碍信息描述 ................................... 27 3.2 避障路径搜索 ............................................... 27 3.2.1 基于 A*算法的路径搜索................................. 27
研
究
生 姓 名： 刘领化 光 教授
指导教师姓名、职称 ： 李 学 研 科 究 专 方
业 ： 机械设计及理论 向 ： 包装机械设计理论与控制技术
论文答辩日期
答辩委员会主席
湖 南 工 业 大 学 二〇一三年 六 月 六 日
摘 要
机械臂的研究内容主要包括运动学和动力学两大类， 而避障路径 规划与柔性机械臂的减振运动控制一直是机械臂运动学和动力学中 的重要内容，本论文的研究工作就是从这两方面来开展的。 本论文路径规划研究基于 SCARA 型机器人。分析了其机械臂的 特点，选择 C 空间作为规划空间。根据障碍物的高度决定障碍是否 与机械臂两转动连杆发生干涉， 分为全干涉情形和半干涉情形分别建 立平面内的 C-空间障碍。考虑末端执行器在竖直方向上的位置只由 上下升降关节决定，可先建立平面内的 C-空间。对于三维空间，可 在平面的基础上利用微元的方法将平面 C 空间障碍在第三维度上进 行拉伸。 C 空间障碍建立后，将 C 空间栅格化，得到离散化的 C-空间。 然后运用 A*算法和蚁群算法分别进行路径搜索，比较这两种算法搜 索的效能，取其结果较好的作为最终的规划方法。 规划路径完成后，采用基于 Adams 的虚拟样机技术进行避障运 动仿真，仿真结果表明了路径的准确性。在此基础上，再用 SCARA 机器人 RBT-4S01S 进行验证性实验，实验的结果进一步验证了路径 规划的准确性及可行性。 以上是基于时间最短优先策略的运动学路径规划， 机械臂运动时 间越短则速度越快，振动则较难避免，这便是柔性臂的振动问题。本 论文提出了一种以抑制柔性臂残余振动为目的的运动轨迹规划策略。 首先运用假设模态法，通过 Lagrange 方程建立起系统的动力学方程。 由于残余振动的大小主要由一阶模态决定， 则可单独分离出一阶模态 动力学方程，再线性化，通过振动的初始与终止条件设计连杆端点的 振动曲线，然后通过一阶模态动力学方程得出连杆刚性转角运动轨 迹。数值仿真验证了此方法的正确性。以上实际上是基于振动抑制的 机械臂控制研究，是对前面规划路径的再优化。 本论文所做的路径规划研究可以为 SCARA 型机器人在工业中的 应用提供理论依据，提高其工作效率，为更复杂的路径规划问题打下 基础；柔性臂减振研究也可为提高机械臂的动力学性能提供理论指 导，为更轻质，更快速的机械臂应用创造条件。 关键词：机械臂、三维空间、避障、路径规划、柔性、振动抑制
I
Abstract
The researchs of manipulator mainly including kinematics and dynamics,path planning of obstacle avoidance and motion control of vibration reduction of flexible manipulator are always the important content of robotic arm kinematics and dynamics.This paper is studying from the two aspects. This paper’s path planning research is based on the SCARA robot. Selecting C-space as planning space after analysis of the characteristics of robotic arm. Whether obstacles interfere with the two rotating links decided by obstacle’s height, so establishing obstacle to two cases,which are whole interference and half interference. Considering the position of end of actuator in vertical direction is determined only by vertical lift joint,the plane C-space can be established firstly. For the three-dimensional space ,C-space can be established by stretching plane obstacle C-space in the third dimension . Rasterizing the whole C-space after C-space obstacle is established. Searching for the path by A* algorithm and ACO,then comparing them .After path planning,simulation of obstacle avoidance is imitated by Adams and the result show the accuracy of the path. Then,according to the experience of RBT-4S01S robot,the accuracy and feasibility of the path is verified further. Above is based on the shortest remaining time kinematic path planning, the less time means the fast velocity,it will result in vibration of manipulator,this is the problem of vibration reduction of flexible manipulator.This paper presents a trajectory planning strategy for the purpose to suppress residual vibration. The kinetic equations of system is established by Lagrange equations and assumed mode method. The size of the residual vibration is mainly decided by the first mode ,so the fist mode equation can be isolated and linearized. According to initial and terminal conditions of vibration of link endpoint，vibration trajectory can be designed segmentally,then the trajectory of link can be got by kinetic equations. Numerical simulation verified this method’s accuracy. Above
II
is actually based on the vibration suppression control studies of robotic arm, and is further optimization of the trajectory. This paper’s path planning studies can provide theoretical basis for the industry application of SCARA robot and improve the work efficiency,furthermore,it lays the foundation for the more complicated path planning problems. The research of vibration damping of flexible arm can improve dynamic performance of robot arm and create conditions for more light and faster manipulator’s application. Keywords: manipulator, three-dimensional space, obstacle avoidance, path planning, flexible, vibration suppression
分 类 号
密级
三维空间机械臂路径规划及减振运动控制
研
究
生 姓 名： 刘领化
指导教师姓名、职称 ： 李光 教授 学 研 科 究 专 方 业 ： 机械设计及理论 向 ： 包装机械设计理论与控制技术
湖 南 工 ห้องสมุดไป่ตู้ 大 学 二〇一三年 六 月 六 日
分 类 号
密级
三维空间机械臂路径规划及减振运动控制 Path Planning and Motion Control of Vibration Reduction of Three-dimensional Space Manipulator