开题报告-平面机械臂逆解问题求解算法研究

毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 ： 自动化 设计 (论文 )题目 ： 平面机械臂逆解问题求解算法研究 指 导 教 师 : 20 年 月 日 若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处 统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1 引言 机器人的运用是机器人运动学和动力学、机械设计与制造、控制与传感器、计算机软件与硬件、模式识别与人工智能等多个学科领域的先进理论与技术的集成，是现代信息科技技术与装备设计制造技术二者相结合的产物。这项技术具有转变世界格局的潜力，在未来的几十年会迅猛发展，直至像今天的计算机一样普及。 本文所探寻的机械臂逆运动学算法，相较其他不同种求逆解的算法而言，显得更加简便实用。对机械臂运动学、动力学 问题及轨迹规划方法的研究，既融汇了机器人学的基础理论，也提供了实际生产中予以实现的有效方法，对六轴机械臂实时控制系统的设计及运行的平稳性和运动轨迹的优化都具有重要意义。 机械臂的研究现状 国外机械臂研究现状 从 20 世纪 40 年代机械臂 的诞生 ， 到目前 已经有 70多年了，机械臂的研究 越来越深入，在工业，农业 等 许多方面 都用到了机械臂。机械臂给我们生活带来方便的同时，也改变着我们的生活，以前必须 靠人力 完成的任务，现在一款机械臂便能出色地完成所有任务 ，并且能够帮助人们提高效率，减少危险性 。 下面介绍几种国外的机械臂研究成果。 第一个真正具有世界影响力的机器人（如图 该机器人全身总共有 34个自由度，使得其运动非常灵活，可以在步行和奔跑中灵活切换，双臂采用曲面造型结构，每条手臂具有 7个自由度，每个手爪具有 2个自由度，每只手臂的最大负载为 有视觉和触觉功能，采用视觉和触觉融合的认知技术。 若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 图 图 机器宇航员 2号机器人 美国宇航局（ 2010年与通用汽车公司合作研制出了“机器宇航员 2 号”机器人，来协助宇航员完成一些危险太空任务（如图 该机器人在 2011 年随航天飞机发射升空，成为全世界第一个进入太空的人形机器人。它双臂灵活有力，可以举起 44公斤的物体，双臂的末端装有仿人灵巧手，可以帮助宇航员完成危险的任务，从而保证宇航员的安全。 德国宇航中心 在 2007 年推出了 s 人机器人，它的手臂采用第三代轻型机械臂 构，每条手臂具有 7 个自由度，自重 大负载 15大伸展长度为 936 机械臂仿人机器人上的成功应用 （如图 。其关节采用模块化设计理念，内部集成有直流无刷电机、谐波减速器和质量优化设计后的安全抱闸等零部件，关节内还集成有电源电路板、控制电路板以及传感器信号接口板，通过内部中心孔结构实现内部走线，双臂协作可以进行调制咖啡，表演跳舞等动作。 图 s 人机器人 图 器人 为实现服务机器人产业化的目标 ，韩国加大了对机器人的投入与开发。为纪念爱因若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 斯坦相对论发布 100 周年， 合 在 2005 年共同开发了 人机器人，如图 。该机器人主要用来对面部表情的研究，头部的 31 个自由度中有 28 个是用来控制机器人的面部表情，可以表达出大笑、伤心、害怕等表情，另外其仿人手臂可实现双臂的灵活协作，完成各种复杂动作。 国内机械臂研究现状 我国机器人的研究可追溯到六十年代，其发展历程可以人致分为如下三个阶段。 第一阶段 (1987以三种类型 五个型号机器人的研究开发为战略目标，跟踪国外机器人高技术的发展，确定了自动化领域 2000 年最终战略目标，其中智能机器人包括三种类型的目标产品，即智能型装配机器人、水深 300 米以下的无缆自治式水下机器人及自治式移动机器人。 第二阶段 (1993将机器人应用到各个行业，直接为国民经济建设服务作为这一阶段的主要战略目标，确定了以特种机器人与工业机器人及其应用并重、以应用带动机器人目标产品开发、以应用带动关键技术和应用基础研究、以应用带动系统集成技术与关键部件突破的发展方针，努力推动科技成果转化 ，使机器人技术的发展成为高技术产业化的技术源头，直接为国民经济建设主战场服务。 第三阶段 (1997：在实施第二阶段的同时，提出中国机器人事业可持续发展的新战略目标，采取多种措施，大力加强基地与队伍建设，特别是机器人的产业化发展，积极做好“十五”与计划的衔接。 哈尔滨工业大学近年来在移动服务机器人、迎宾机器人、导游机器人、门卫安保机器人等智能服务机器人方面进行了深入研究，所研制的服务机器人已在科技馆、博物馆等场所得到应用。如图 示的移动服务机器人，它的移动机构采用四轮全向轮式结构，可以实现零半径 转弯，配有 像机、红外传感器、平板电脑显示屏等设备，直流交流可切换供电方式，所携带的蓄电池可供机器人连续工作 2 个小时左右，具有两个 6 自由度的机械臂，可完成单臂取水、倒水，双臂端盘等服务功能。 北京理工大学在 2002 年至今的十多年间，先后研制出了 图 和 一系列的类人型机器人。较早的 器人主要侧重于对双足行走规划及步态控制的研究； 器人侧重于对手臂控制的研究，在 国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作； 侧重于对人类面部表情的研究； 侧重于对手臂的快速控制， 手臂若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 运动非常灵活，响应速度比较快，可以灵活地实现 200 多回合的乒乓球对打。 图 哈工大服务机器人 图 机械臂运动学研究现状 机械臂运动学的分析是机械臂路径规划的理论基础，所以，研究和分析机械臂运动学对研究机械臂的控制至关重要。一般情况下，运动学正解在 实际应用中应用不多，只用作获取反馈时末端执行器的位姿，且它的解是唯一的，求解也简单，所以研究的不多，运动学逆解是众多专家学者们的研究热点。关节逆解问题是机械臂建模和轨迹规划的基础，只有先通过运动学逆解的求解把关节位置转换为关节角度，才能实现对机械臂的控制和抓取。 通常学者们都是用求解非线性方程组的方法求解机械臂逆解。但是通常使用的方法在实际建立的时候是相当困难也复杂的，现应用较普遍的是 几何法，数值解法 ，还有 出的反变换法（即代数法）。数值解法就是先提供一组变量初始值，根据 变量建立一个方程组，利用相关优化方法迭代方程组，使之收敛于适应机构的一组解。数值解法求解过程比较简单，但是需要提供变量的初始值，这样，选取初始值就成为另一个问题，而且数值法难以确定机构有多少解，也就难以解出全部解。代数法求解的主要思想是根据各关节变量建立若干个关系式，再消元，在得到只包括一个变量的一元高次方程中解出此关节变量的所有解，再由求出的变量解出所有的中间变量。在若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 本文中将会使用代数法求取机械臂的逆解。 解决一般机械臂运动学逆解问题，经过结构体分析之后，可以看做是求解非线性方程组的问题。而对于非线性方程 组求解来说，针对不同类型的方程组又存在不同的求解方法。最常见的方法为代数方法和数值方法。在机械臂逆运动学求解问题中常用的解决 方法包括 法、区间算法、优化算法、遗传算法等方法。一般情况下使用数值法求解此问题的步骤是：首先创建多元非线性方程组，之后代入机械臂各关节的一组初始值，然后利用各种优化方法对其进行迭代计算，最终求得一组收敛解。这种类型的方法的求解过程相对其他种求解方法来说比较简单，但由于机械臂初始位姿的不同，其各关节轴的初始值选择便不相同，求解过程有一定偶然性。因此，不 同的初始值的选取也会对最终求解的计算结果造成一定的影响。此外，使用这类数值方法进行求解并不能按照机械臂机构的关节数量及结构来确定此机构有多少组解，所以很难获得方程组的所有解。在机械臂运动学逆解问题中常用的代数法主要包括配消元法，聚筛法，法和吴文俊消元法。这些代数方法一般是根据机械臂结构体，对各连杆建立相关关系式，然后利用各种方法逐步消元，最终得到一个一元高次方程。对该方程求解即可得到原方程组的全部根。然后根据机械臂的结构进行分析，对多个根进行筛选，最后求解出一系列被消去的中间变量，完成 求逆解过程。 在这个求逆解的过程中，每步消元都做到同解变换，对最终结果不会产生影响，即得到的结果包含全部的解，而且不会产生增根。这种方法的优点是不需要提供初始值，且可以求出全部解，但求解过程较为复杂，也有伴随着一定的难度。对于六自由度机械臂逆解问题的求解方法，国内外不少专家学者对此进行了大量的研究。例如毕洁明提出的数值算法。这种算法采用将位置和姿态分别迭代，分别进行分析计算，进而得到所有的解。但是，当对机器臂的位置和姿态高度耦合时使用此计算方法的话，会造成迭代过程不收敛。 据分布 式人工智能的概念，提出了采用迭代和分布式综合计算的全新算法，可以求解出 6R， 4 3构的六轴机械臂的运动学全部逆解。这种方法将转移矩阵方程由常用的三角函数形式转化为更加复杂的复指数形式，之后通过对十个方程的求解来计算出一般结构的六轴机械臂的运动学逆解。于艳秋提出在械臂运动学求逆解的算法中，引入有理数逼近实数和三角函数的理论，利用这种方法提高了计算结果的精度，运算速度以及运算中对一些异常问题的处理能力。 参考文献 若须定制全套设计，请联系扣扣九七一九二零八零零。 1 欧勇盛 , 江国来 . 服务机器人的产业化发展之路 J. 机 器人技术与应用， 2012,9 2 宋章军 . 服务机器人的研究现状与发展趋势 J. 集成技术 ,2012,1(3) : 1 9 3 徐方 ,张希伟 ,杜振军 . 我国家庭服务机器人产业发展现状调研报告 J. 机器人技术与应用 ,2009(2) : 14 19 4 任美玲 ,陶大锦 . 机械臂的研究与进展 J. 出国与就业 ,2012,1 5 S,. 003, 28(12) : 1066 1073 6 . 23(4) : 424 436 7 刘好明 . 6R 关节型机器人轨迹规划算法研究及仿真 D. 山 东理工大学 . 2008,4 8 ， . 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