（机械电子工程专业论文）基于rbf神经网络的机械手轨迹规划及运动仿真研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 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。论文以 a s m r o b o t 6 机器人为研究对象，提出一种新的轨迹优化近似算法。通过对机 器人操作臂的轨迹规划的具体分析、基于运动学寻优轨迹算法的模拟实现、关 节空间的轨迹优化等方面的全过程的研究，针对a s m r o b o t 6 机器人轨迹规划 要求，分别建立了r b f 神经网络逼近模型和r b f 神经网络插值模型，将其分 别应用于关节空间与操作空间的轨迹规划。 建立了单输入单输出r b f 神经网络模型，以离散点横坐标值作输入，纵 坐标值作为目标输出，训练网络，实现操作空间轨迹的插值运算；建立了单输 入六输出r b f 神经网络模型，以离散时间点作输入，以对应于离散时间点的 六个角度值作为目标输出，训练网络，实现关节空间轨迹的逼近运算。 该算法实现了轨迹规划的快速收敛和近似逼近，具有一定的容错能力，避 免了因约束点的输入顺序而产生的影响，使得规划轨迹达到工程上的光顺性要 求。 然后利用虚拟样机技术，在机械系统动力学软件一一a d a m s 上建立了机 械手的仿真模型，根据优化的关节空间运动轨迹进行运动学仿真，研究机械手 的运动学和动力学指标在运动过程中的变化情况，验证了该优化算法的可行性 和先进性。 本研究项目得到了山东理工大学科研基金项目的资助。 关键词：机械手，动力学，径向基函数神经网络，虚拟样机，关节空问 a b s t r a c t r o b o t st r a j e c t o r yp l a n n i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nt h ec o n t r o l o fr o b o t i c s b a s e do n d e m a n d sa n dr e s t r i c t i o n so fa s m r o b o t 6m a n i p u l a t o r , t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lm e t h o do f t r a j e c t o r yp l a n n i n g b yt h er e s e a r c h i n gp r o c e s s e so fc o n c r e t ea n a l y s i so ft r a j e c t o r yp l a n n i n g o nr o b o t sm a n i p u l a t o ra i m ，i m i t a t i o no ft r a j e c t o r yb a s e do nk i n e m a t i c sa n do p t i m i z a t i o no f t r a j e c t o r yi nt h ea r t i c u l a t i o ns p a c e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t w om o d e l sa c c o r d i n gt or b f n e u r a ln e t w o r k sa l g o r i t h m ，o n ei su s e df o rc u r v ei n t e r p o l a t i o ni no p e r a t i o ns p a c ea n dt h e o t h e ri su s e df o rc u r v ea p p r o x i m a t i o ni na r t i c u l a t es p a c e t or e a l i z et r a j e c t o r yp l a n n i n gi no p e r a t i o ns p a c e ，a l lo n e i n p u t - o n e 。o u t p u tr b fn e u r a l n e t w o r k sm o d e li sb u i l ta n dt r a i n e du s i n gx - a x i sv a l u eo fd i s c r e t ep o i n t sa si n p u t sa n dy - a x i s v a l u eo u t p u t s m e a n w h i l e a l lo n e i n p u t s i x - o u t p u to n ei se s t a b l i s h e da n dt r a i n e du s i n g d i s c r e t et i m ea si n p u t sa n dv a l u eo fs i xa n g l eo u t p u t si na r t i c u l a t es p a c e w i t hc h a r a c t e ro fr a p i dc o n v e r g e n c ea n dn e a ra p p r o x i m a t i o n ，t h i sn e wa l g o r i t h mi sf a u l t t o l e r a n ta n di r r e l a t i v ew i t h o r d e ro fi n p u t s ，w h i c h c a na c h i e v ef i r i n gr e q u i r e m e n to f e n g i n e e r i n g m a k i n gu s eo f t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h em a n i p u l a t o r sm o d e li sf o u n d e di n s o f t w a r ea d a m st h a td e v e l o p e df o rd y n a m i c sa n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m f u r t h e r m o r e ， a c c o r d i n gt ot h ep l a n n e dp a t h ，t h ec h a n g e so ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c si n d e x e so ft h e m a n i p u l a t o ri n t h ec o u r s eo fm o v i n ga r es t u d i e da n di t se f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t y v a l i d a t e d k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r , d y n a m i c s ，r b f n n ，p r o t o t y p e ，a r t i c u l a t es p a c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：孑，j 鸯平时间：。一7 年6 月毕日 引磁名：2 涪号咖套7 年绷岬 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 模块化、分布式机器人技术 1 1 1 可重构模块化机器人简介 与传统的工业机器人相比，未来机器人需要完成更加复杂多变的任务，工 作环境也有极大的不确定性，因此针对工业环境的机器人设计方法已无法满足 大的社会需求，所以p r ( p e r s o n a lr o b o t ) 要像p c 一样深入千家万户，融入 人类的生活，需要一个开放式的机器人架构，需要具有通用性和扩展性【i 】。所 以基于模块化、分布式的0 a r ( o p e n a r c h i t e c t u r ef o r r o b o t ) 架构技术成为当 今时尚【2 1 。所谓模块化主要针对硬件而言，要求硬件有统一的接口和即插即用 的能力；所谓分布式是针对软件而言，各个机器人部件拥有相对较强的计算能 力，并通过通用的a p i 交流数据和命令p j 。 1 1 2 模块化机器人的现状和发展趋势 国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研究，目前已经开发的模块化 机器人系统或可重构机器人系统主要有两类：一类是动态可重构机器人系统， 另一类是静态可重构机器人系统。 动态可重构机器人系统：p a m e c h a 和c h i r i k i i a n 的构形变化机器人系统 ( m e t a m o r p h i cr o b o t i cs y s t e m ) ，它是由一套独立的机电模块组成的，每个模 块都有连接、脱开及越过相邻模块的功能，每个模块没有动力，但允许动力和 信息输入且可通过它输到相邻模块，构形改变是通过每个模块在相邻模块上的 移动来实现的，这种系统具有动态自重构的能力h i 。k o t a y 等人提出了分子 ( m o l e c u l e ) 的概念，自重构机器人的模块称为分子，分子是建立自重构机器 人的基础，分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三 维结构，是一种动态的自重构系统【，4 j 。y i m 研究了一种动态可重构移动机器 人，不用轮子和履带，而是通过称为多边形杆结构的模块从尾部移到前端，实 现重心移动，即机器人的移动，并能通过不同的构形适应不同的环境1 7 l 。m u r a t a 等人提出了一种三维自重构结构，其模块为一种齐次结构且仅一种模块，通过 一个模块在另一个模块上的运动来动态的组成各种结构i s 。 静态可重构机器人系统有：b e n h a b i b 的模块化机器人，提出了基于遥驱动 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 技术的模块机器人单元，驱动方式类似于传统的工业机器人，认为驱动部分太 重，影响模块机器人的能力，虽然采用该驱动方式使模块化机器人柔性降低， 但易实现，是一个折衷的方案。p a r e d i s ，b r o w n 和k h o s l a 的可重构模块化机 器人系统( r m m s ) ，它利用一套可交换的不同尺寸和特性的连杆和关节模块， 通过组成这些通用模块，能够装配出各种专用的机器人，这种系统特别适用于 可重构，并且考虑了软件可重构【9 l 。c h e n 等人的模块化可重构机器人，设计 了模块库，并研究了构形的设计及运动学和动力学的分析方法【l 们。h a n 等人的 模块化机器人机械臂，对模块的机械设计方面开发了一套软件来实现构形的设 计【i “。h u i 等人提出了一种i r i s 装置，它是一种模块化、可重构和可扩展的 机器人系统，该装置具有2 台4 - d o f 转动关节机器人，每台机器人均可重构 成各种构形，每个关节由d c 电机谐波减速驱动，并装有位置、力矩传感器， 它的软件也和硬件一样设计成模块化的、可扩展的和可重构的【”l 。f u j i t a 等人 开发了一个可重构机器人平台，它是基于s o n y 公司开发的o p e n r 标准来建 立各种软、硬件模块，通过模块组成各种不同的机器人结构，该平台主要用于 玩具娱乐业【l “。m a t s u m a r u 提出了t o m m s 系统( t o s h i b am o d u l a rm a n i p u l a t o r s y s t e m ) ，它是由关节模块 1 5 1 。连杆模块和有操纵杆的控制单元组成的，通过 人工能够构成各种构形的机器人，其运动学是在构形确定的情况下进行的。 h a b i b i 等人研究了可重构液压驱动工业机器人的设计问题。德国a m t e c 公司 生产的p o w e r c u b e 产品是模块化的机器人，目的是以各种特定的机器人满 足各种生产需要【l “。j i 和s o n g 提出了一种可重构平台机器人的设计，它主要 针对并联机器人的模块化设计进行了研究i l7 1 。 从应用范围来看，动态可重构机器人系统主要适用于玩具行业及非制造行 业，如空间机器人、危险作业环境下的特殊机器人等，静态可重构机器人系统 主要适用于工业机器人。 可重构模块化机器人系统是由一套具有不同尺寸和性能特征的模块组成 的，通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人。对机械模块 的划分主要分为基础单元模块、末端件模块、连杆模块、关节模块( 移动关节 模块、转动关节模块、回转关节模块) 等。目前几种典型的模块划分方法有： b e n h a b i b 等人建立的机器人模块库，它将模块分为四类模块：模块单元连接器、 连杆模块、主关节模块、末端关节模块等，其中连杆关节采用圆环截面的圆柱 体形，保证任意方向上的抗弯、抗扭转能力，提高构造机械手的柔性，空心结 构能保证模块的质量和转动惯量小，将基础件也划为该类模块。主关节模块又 可分为转动关节和移动关节模块，按其驱动方式分为r a c t u a t o r m 模块( 用 于距离基础件较近的关节，它采用d c 电机，谐波减速驱动，重量大) ， r a c t u a t o r l i n k m ( 用于距离基础件较远的关节，动力不放在关节上，而是放 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 在距离基础较近的地方通过传动元件传送给关节) ，p - a c t u a t o r - m ( d c 电机驱 动的移动关节) 。末端件关节也分为转动关节和移动关节，r - a c t u a t o r - e 和 r a c t u a t o r l i n k e ，其驱动原理与主关节模块原理相同。同时设计了一个单元 连接器，利用止口和定位销定位，用螺栓进行联接。p a r e d i s 等人在r m m s 系 统中提出了硬件模块的划分方法，建立了机械手的基础模块、连杆模块、三个 转动关节模块、一个回转关节模块。基础模块和连杆模块是无自由度的，关节 模块有一个自由度，模块是自封闭的，硬件包含有c p u 、传感器、驱动器、 制动器、传动装置、传感器接口、电机放大器和通讯接口等、电器部分也根据 模块化的原理设计，采用具有基本功能的母板和特殊功能的子板，同时设计了 一个集成的快速祸合连接器，以便模块之间的快速连接【l 憎】。c h e n 等人设计 的模块化机器人系统中，仅考虑连杆模块和关节模块，关节模块有转动关节模 块、移动关节模块、螺旋关节模块和圆柱关节模块。连杆模块设计成立方体和 长方体，其特点是多关节联接和几何对称，立方体的六个表面均有联接口，长 方体的二端的各表面也都有联接口 2 0 1 。 可重构模块化机器人系统模块的基本功能应包括以下几个方面： ( 1 ) 模块应具有自封装的功能，完成某一特定的功能； ( 2 ) 模块应具有驱动能力，完成特定的运动和动作； ( 3 ) 模块应具有通讯能力，以便各模块能协调的工作； ( 4 ) 模块应具有数据处理能力。 由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人 的构形仅能适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不能满足市场变化的要 求，解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统。 1 2 机器人轨迹规划概述 1 2 1 机器人轨迹规划简介 机器人轨迹规划是在机械手运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和 笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。所谓轨迹是指机械手在 运动过程中的位移、速度和加速度。如图1 1 所示，轨迹规划是根据作业任务 的要求，计算出预期的运动轨迹。即对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描 述，实时计算出机器人运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。 轨迹规划方法一般是在机器入初始位置和目标位置之间用多项式函数来 “内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点”。路径端点一 般是在笛卡尔坐标中给出的。如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 逆问题求解程序，进行必要的转换。 路径约束 路径设定 动力学约束 图1 1 轨迹规划器框图 在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。例如，可以要求机械手沿连 接端点的直线运动( 直线轨迹) ，也可以要求它沿一条光滑的圆弧轨迹运动， 在两端点处满足位置和姿态约束( 关节变量插值轨迹) 。 而轨迹控制就是控制机器人手端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨 迹的给定方法和如何控制机器人手臂使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨 迹控制的两个主要内容。其控制方式分四种情况，如表1 1 所示。 给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式两种【2 h 2 2 1 。 表1 _ 1 操作臂控制方式 障碍约束 有无 约路 有离线无碰撞路径规划+ 在线路径跟踪离线路径规划+ 在线路径跟踪 束径 无位置控制+ 在线障碍探测和避障 位置控制 示教再现方式是在机器人工作之前，让机器人手端沿目标轨迹移动，同时 将位置及速度等数据存入机器人控制计算机中。数控方式与数控机床的控制方 式一样，是把目标轨迹用数值数据的形式给出。这些数据是根据工作任务的需 要设置的。 无论是采用示教再现方式还是用数值方式，都需要生成点与点之间的目标 轨迹。此种目标轨迹要根据不同的情况要求生成。但是也要遵循一些共同的原 则。例如，生成的目标轨迹应是实际上能实现的平滑轨迹；要保证位置、速度 及加速度的连续性。保证手端轨迹、速度及加速度的连续性，使通过各关节变 量的连续性实现的。 4 1 2 2 轨迹规划算法的研究现状 为了提高生产率和改进跟踪精度，轨迹规划技术也在不断地发展中。机器 人轨迹规划算法的性能优化指标有很多，如时间最优和系统能量最优等。 其中对最优时间下机器人轨迹规划算法研究得较多。在过去的十多年中， 对全驱动刚性机械手最优时间轨迹规划问题的刻划和描述以及计算一直是一 个活跃的研究领域。现有的大部分工作可以被广泛地分为两类沿着一条预设路 径的最优时间动作轨迹算法；针对最优时间下点到点( p o i n t t o p o i n t ) 动作的优 化处理算法。下面分别介绍这两类工作： ( 1 ) 最优时间下沿着一条特定预设路径运动的动作序列求解算法 可以分别基于机器人的运动学和动力学设计多种不同的算法。 在基于机器人运动学方面设计的算法中，主要有以下几个成果。l i n 等人 ( 1 9 8 3 ) 在考虑了机器人在位置、速度、加速度和二阶加速度方面的运动学约束 后提出了一种最优时间下的轨迹规划方法，并使用柔性多面体搜索( f l e x i b l e p o l y h e d r o ns e a r c h ) 算法来进行具体求解，这种方法通过使用高次多项式曲线来 连接机器人关节空间中一系列的关键点而得到满意的轨迹【27 1 。但是这种算法 只是一种局部搜索算法，算法的性能与初始条件的选取紧密相关。t o n d u 等人 ( 1 9 9 4 ) 基于同样的约束条件，提出了类似的最优时间下轨迹规划方法 2 3 1 。不过 为了简化起见，这种方法使用了带有光滑转折的直线段来连接关节空间中的关 键点，这样做的缺陷是在产生的轨迹中不能对给定的中间点进行插值操作。 b a z a z 等人( 1 9 9 7 ) 指出在考虑了速度和加速度约束的前提下，进行最优时间轨 迹规划的过程中，三次样条曲线是连接关节空间中各个关键点的最简单多项式 曲线形式，并据此提出了相应的算法 2 4 1 。但遗憾的是，在使用三次样条曲线 的过程中，在关键点的连接处没有考虑加速度的连续性，这可能会引起机械手 移动过程中的振动。此后，b a z a z 等人( 1 9 9 9 ) 对前面的方法进行了一定的综合， 提出利用带有光滑转折的三次曲线段来连接关键点的新方法，据此设计的算法 取得了一定的效果 2 5 1 。c h o i 等人( 2 0 0 0 ) 则针对某些机器人精确的动力学方程式 难以获得的特殊情形，提出了仅使用运动学方法来求解轨迹规划问题的方法， 并特别地使用了进化策略( e v o l u t i o ns t r a t e g y ) 来求解优化模型，得到了一些优 化解1 2 6 1 。但是c h o i 等人设计的算法比较简单，而且也对原来的优化问题进行 了过度简化，不能完全体现原来优化问题的本质特征。 另外，在基于机器人动力学方面设计的算法中，主要有以下一些成果。 d u b o w s k y 和s h i l l e r ( 1 9 8 5 ) 在没有考虑一般优化控制中的多参数迭代通性的前 提下，针对6 自由度的机械手设计了一个优化控制算法，已经证明了这是一个 严格最优的高效算法【2 丌。s h i l l e r 和d u b o w s k y ( 1 9 8 5 ) 在考虑了机械手的非线性 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 动态特性的影响以及所施加的激励饱和限制和有效载荷的约束前提下，讨论了 一种优化算法1 2 射。g e e r i n g 等人( 1 9 8 6 ) 基于p o n t r y a g i n 最小化原理，在考虑了 机器人力矩约束的前提下，研究了机器人最优时间下路径移动中的动作结构， 并指出该种动作在力矩上是b a n g - b a n g 类型或是b a n g b a n g 奇异类型1 2 ”。s a h a r 和h o l l e r b a c h ( 1 9 8 6 ) 在对机器人关节空间进行棋盘式的划分后，建立了一个状 态空间搜索树，并在此基础上，设计了一种求解点到点动作下的最优时间路径 的通用算法。这种算法在设计过程中，充分考虑了机械手完整的动力学模型以 及相应的运动学、动力学和几何上的各种约束条件p 。b o b r o w 等人( 1 9 8 5 ) 以 及s h i 和m c k a y ( 1 9 8 5 ) 考虑了在满足机械手力矩约束的条件下，机械手沿着一 条特定路径进行最小时间移动的问题【3 1 1 不过，b o b r o w 等人是在任务空间中 对路径参数化后再进行优化处理，而s h i n 和m c k a y 则是在对关节空间中路径 参数化处理的基础上来进行优化求解的，他们将得到的优化解统称为路径约束 下的最优时间动作( p a t h c o n s t r a i n e dt i m e o p t i m a lm o t i o n ) “。k i m 和 s h i n ( 1 9 8 5 ) 基于机械手的动力学模型，在关节空间中设计了一种满足力矩约束 的最小时间路径规划方法【3 引。在这种方法处理之后，最后的路径就是由在隅 角点处具有特定路径偏差的一系列直线段构成。基于机械动力学模型和驱动力 矩约束的最优时间下的轨迹会导致不连续的驱动力矩基准齿廓。另一方面，由 于驱动装置的物理限制，一般情况下不可能产生快速的力矩起伏现象。这种处 理的直接后果是驱动装置会落后予基准信号，从而导致控制器饱和，在机械上 产生振动，造成跟踪误差。从本质上说，上面介绍的算法都是针对非线性系统 中具有n 个自由度的两点边界值问题的求解算法。针对机械手产生如此优化轨 迹的计算代价是非常大的。不过，通过使用动态规划或者其它的优化搜索技术 可以部分地降低计算代价。s a h a r 和h o l l e r b a e h ( 1 9 8 6 ) 以及c r o f t 等人( 1 9 9 5 ) 通 过使用启发式和近似优化技术来求解此类问题，比较有效地降低了计算代价 ( 3 4 l 。s h i l l e r 和d u b o w s k y ( 1 9 8 9 ) 还在综合考虑了工作环境中障碍物的影响以及 机械手关节运动的约束后，提出了一种机械手的最优时间动作规划算法 3 5 1 。 此外，还有一些比较高效的基于动力学方法的机器人最优时间轨迹规划算法。 另外，还有在同时考虑了机械手运动学和动力学约束条件的前提下而设计 的时间最优轨迹规划算法。如杨国军和崔平远( 2 0 0 2 ) 提出了一种基于模糊遗传 算法的机械手时间最优轨迹规划算法，该算法将模糊原理应用于遗传算法，对 遗传算法中的交叉概率和变异概率进行模糊控制，综合考虑了机械手的运动学 和动力学特性，克服了传统的非线性规划方法易陷入局部极小的不足，不过他 们对机械手运动学及动力学特性的考虑不甚全面( 如没有考虑加速度或二阶加 速度方面的约束等) ，另外仅对低自由度的机械手进行了仿真p ”。王建滨等人 ( 2 0 0 2 ) 研究了一种超冗余度机械臂同时受速度和力矩约束的时间最优轨迹规 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 划算法，引入b 样条曲线拟合无碰撞离散路径，使用动态规划技术来进行具 体的优化求解，但是因为是采用数值方法进行求解，所以在最优时间计算结果 的精度与计算机的仿真时间之间存在折中问题，当问题规模增大时，求得一定 精度解的计算代价也随之急剧增加p7 1 。 ( 2 ) 针对最优时间下点到点( p p ) 动作的优化处理算法 基于p p 动作的机械手工作任务，一般是指需要机械手在工作空间中设定 的各个工作点之间来回移动来完成的一类工作任务，其中限定机械手必须到达 每个工作点，并在相应的各点停留。p p 工作任务具有广泛的工业应用背景。 传送带上的产品组装、电路板上的电子元件插接、汽车部件或其它自动化设备 器件的点焊和切割操作、外太空中空间机械手的货物传输操作以及一些高级的 工件夹具生产等都是主要的应用实例。目前，已经有一些具有代表性的处理最 优时间下机械手p p 动作的优化控制算法。d u b o w s k y 和b l u b a u g h ( 1 9 8 9 ) 特别 结合了工业上一些应用实例，讨论了多种高效的特定应用算法t 3 8 】。a b d e l m a l e k 和z h i n i n g ( 1 9 9 0 ) 针对空间中的每个工作点具有多个对应机械手工作参数的情 况，使用分枝定界技术设计了相应的求解最优时间下p p 动作任务的算法p 9 1 。 b o r e n s t e i n 和k o r e n ( 1 9 9 0 ) 针对同样的问题，又提出了一种特别的启发式算法 1 4 0 1 。p e t i o t 等人( 1 9 9 8 ) 针对以往算法仅能对移动机器人起作用的局限性，同时 针对机械手和移动机器人这两个对象，使用弹性网络算法解决了类似问题，得 到了更加高效的优化解，并进一步地拓展了算法的工业应用领域 4 t 】。在国内， 张凯等人( 2 0 0 2 ) 特别针对i v e c o 横梁的焊接，研究了6 r 机器人在焊接过程中 进行p p 运动的轨迹规划算法【4 2 1 。不过，在机械手执行一些相对复杂的p p 工作任务中的求解算法研究上，就较少有相应的研究成果。另外，现有的算法 也或多或少地存在着一些不足。 除了以时间最优作为优化指标之外，目前也有一些算法以能量最优作为优 化指标。例如，h i r a k a w a 和k a w a m u r a ( 1 9 9 6 ) 讨论了冗余机器人的轨迹产生问 题，通过引入变分法和b 样条曲线来对机器人系统消耗的能量进行最优化f 4 3 l 。 g a r g 和k u m a r ( 2 0 0 2 ) 特别针对一个两连杆机器人和两个协操作机器人，以机器 人的力矩最小为优化目标，通过使用自适应模拟退火算法和遗传算法，求得了 机器人移动的最优轨迹1 4 4 1 。 就机器人轨迹规划中的这两大类重要问题而言，经检索，尚未发现有研究 结果分别涉及对上述不足进行综合地改进与优化。本文针对这两大类重要问题 进行了全面的研究。考虑到实际应用中问题的大规模以及复杂性，这里主要采 用近似优化算法进行求解。因为目前针对该类问题求解所使用的近似优化算法 主要是一般的遗传进化算法，其结构过于简单，没有完全体现原有优化问题的 本质特征，所得解的效果往往不是非常理想。 7 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 为了扩展算法的工业应用领域，适应更复杂的应用场合，本文基于当前先 进的智能计算技术( 如神经网络算法) 尝试设计了几类近似优化算法模型( 可避 免一般精确算法在运算效率上的局限) ，以克服上述不足为目的，着重解决各 种工作环境下的机器人轨迹规划问题，真正地实现对这两类问题处理的通用 化，使得在工业环境下能普遍适用。 1 3 虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是随着计算机 技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。它是建立在 多刚体系统动力学理论( 多刚体动力学是近年来在经典力学理论的基础上发展 起来的专门解决复杂机械系统运动学和动力学问题的新的科学分支) 基础上 的。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后根 据分析结果改进设计方案，利用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚 拟样机技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品的开发周 期，大量减少产品开发成本和费用，明显提高产品的质量和性能，获得最优化 和创新的设计产品。 虚拟样机技术在产品的设计开发方面的主要优点： 1 同物理样机试验相比，更快、更节约成本地分析设计的改变； 2 开发流程的每个阶段获得更完善的设计信息，从而降低开发风险； 3 通过分析大量的设计方案，优化整个系统的性能，从而提高产品质量； 4 仿真分析方法随意改变，而无须更改实验仪器、固定设备以及实验程序； 5 在安全的环境下工作，不必担心关键数据丢失或由于恶劣天气造成的设 备失效。 正是由于这一技术的明显优势，目前许多世界著名制造厂商纷纷将虚拟样 机技术引入各自的产品开发中，并取得了很好的经济效益。根据国际权威人士 的统计和预测，传统的机械系统实物实验研究方法，将会在很大程度上被迅速 发展的计算机仿真技术取代。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心 是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统 及其各个构件在任意时刻的位置、速度、加速度，同时通过求解代数方程组确 定引起系统及其各个构件运动所需要的作用力和反作用力。 8 1 。4 本文的主要工作内容 本文主要以a s m r o b o t 6 工业机器人为研究对象，采用神经网络算法实现 其关节空间及操作空间的轨迹优化。操作空间中，建立单输入单输出r b f 神 经网络模型实现了轨迹插值运算；关节空间中，建立单输入六输出的r b f 神 经网络模型完成了轨迹逼近运算。 随后，建立了a s m r o b o t 6 虚拟样机，对所规划轨迹进行运动仿真，通过 其测量功能，分析了轨迹优化算法的可行性和先进性。 9 山东理工大学硕t 学位论文 第二章建立a s m r o b o t 6 机器人虚拟样机 第二章建立a s m r o b o t 6 机器人虚拟样机 2 1 a s m r o b o t 6 机器人模块选择 2 1 1 焊接工作简述 焊接是工业生产中重要的工艺流程和加工手段，特别是在汽车、摩托车以 及其他工程机械的整机装配和零部件加工过程中，高效稳定的机器人焊接设备 将极大的提高产品的产量和质量。未来机器人不仅能够连续且稳定的进行复杂 的焊接，而且还具备自动原点定位、焊缝自动跟踪、多层焊接补偿、自动摇摆 及波动动作和外部轴协调联动控制等辅助功能，能够充分满足制造业用户对焊 接工艺的各种要求。 2 1 2 机器人模块选择 a s m r o b o t 6 由上海广茂达伙伴机器人有限公司制造，是国际领先的全开 放架构多关节机器人，其采用模块化设计，是可以重构的模块化机器人；它的 控制系统是开放的，用户可以对控制系统的底层进行操作，可以自己做各种控 制算法；它采用w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统，以v c 作为开发工具，采用c a n 总线控制，功率放大集成在模块中。 选用a s r - m g r i p p e r 模块化手抓与a s m r o b o t 模块化转动关节，两模块 外观如图2 1 所示，其电机参数与模块参数分别如表2 1 和表2 2 所示。 l q r - - l g ；r i t w 模块化手爪a s - - l r o h o l ：6 模块化转动关节模块j 图2 - 1 动力模块结构形状 山东理工大学硕士学位论文第二章建立a s m r o b o t 6 机器人虚拟样机 表2 - 2 动力模块性能参数 a s m r o b o t 6 由关节模块和连杆模块组成，为满足焊接生产需要，自行设 计各个连杆，并通过螺栓依次与六个转动关节模块连接，组成六自由度机器人， 各部件如图2 2 所示。 a s - - e o b o t 6 基座 s 一船址l o t 6 连杆横块 图2 - 2a s m r o b o t 6 连杆与基座 2 2 样机模型生成与装配 2 2 1 u n i g r a p h i c s 建模功能 u g s o l i dm o d e l i n g 是集基于约束的特征建模和传统的显式几何建模的复 合建模模块，它为u g f e a t u r em o d e l i n g 和u g f r e e f o r m 建模联合的使用提供 山东理工大学硕士学位论文第二章建立a s m r o b o t 6 机器人虚拟样机 最大的自由度；该模块为设计过程提供更大的灵活性，用户选择最自然地支持 设计意图的方法；u g 的复合建模模块允许按需添加参数，纯参数化建模时可 以强制模型全部约束；该模块使有效地使用遗留的产品模型数据，包括从其它 c a d 系统来的数据，其建立的模型是完全与构造的几何体相关，允许重访早 期的设计而无需再返工下游的信息【4 5 1 。 2 2 2 建立模型部件文件 打开u g n x 3 0 ，进入g a t e w a y 界面。 ( 1 ) 新建文件 菜单栏中选择f i l e - n e w ，在n a m e 后输入“l i n k2 ”，把u n i t 设为m m ； 菜单栏中选择a p p l i c a t i o n m o d e l i n g 或单击建模图标，进入建模窗口。 ( 2 ) 绘制草图曲线 选择菜单栏的i n s e r t s k e t c h 或单击成型特征工具栏按钮，进入绘制草图窗 口；定义草图平面，以基准坐标系的x c y c 平面作为草图平面，在此平面绘 制草图；在草图平面作直径为6 5 m m 的圆，并将圆心约束在坐标原点处。 ( 3 ) 建立实体 选择菜单栏的i n s e r t d e s i g n f e a t u r e e x t r u d e ，弹出拉伸体对话框；在绘图 窗口选择圆弧曲线，并在弹出对话框中写入6 3 5 m m ，点击o k 。按照以上操作， 在圆柱体端面生成两个立方体。 ( 4 ) 布尔操作 选择菜单栏的i n s e r t f e a t u r e o p e r a t i o n c o m b i n e ，依次选择三个实体：建 立好模型，点击s a v e ，保存文件。 仿照l i n k2 的操作步骤，分别建立l i n k1 ，l i n k3 ，l i n k4 ，l i n k5 ， b a s e1 ，b a s e2 ，t o o l 。 2 2 3 机械手模型装配 在菜单栏选择f i l e n e w ，在f i l en a m e 后输入“a s s e m ”，把u n i t 设为 m m ；菜单栏选择a p p l i c a t i o n a s s e m b l y 或单击建模图标，进入装配功能：选 择菜单栏中a s s e m b l y c o m p o n e n t s a d de x i s t i n g 或用鼠标左键单击装配工具栏 中图标，即可打开m a t i n gc o n d i t i o n s 对话框，选择需装配部件文件，并根据 m a t e 、a l i g n 、c e n t e r 条件装配其他部件。如图2 3 所示，机械手装配完成并保 存。 1 2 山东理工大学硕士学位论文第二章建立a s m r o b o t 6 机器人虚拟样机 2 2 4 装配文件导出 选择菜单栏f i l e e x p o r t ，选择p a r as o l i d 格式并指定路径并保存文件为 n x e x 。 图2 - 3u g 中的装配模型 2 3 建立机器人虚拟样机 2 3 1 a d a m s 软件概述 机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是由美国m d i 公司开发的非常著名的虚拟样机分析软件， 它集建模、求解、可视化技术于一体，使用交互式图形环境和零件库、约束库、 力库，可以创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动 力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。该 软件的仿真可以用于测量机械系统的性能、运动范围、峰值载荷等。它包括 a d a m s v i e w 、a d a m s s o l v e r 、a d a m s p o s t p r o c e s s o r 等核心模块【4 “。 根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场的统计，a d a m s 软件 占据了销售总额近5 1 的市场份额，由此可以看出a d a m s 软件在动态仿真分 析领域的卓越地位。 2 3 2 a d a m s 环境设置 启动a d a m s v i e w ，将出现一个欢迎对话框，选择c r e a t ean e wm o d e l ， 在m o d e ln a m e 中键入模型名字m a n i p u l a t o r ，点击o k ，进入a d a m s v i e w 界 面。在建立模型前，首先应该设置操作环境： ( 1 ) 设置单位在菜单s e t t i n g 中选择u n i t s ，出现单位设置对话框，选择 m m k s ，在这种单位系统下，长度的单位是：m m ，质量的单位是：k g ，力的 单位是：n ，时间的单位是：s ，角度的单位是：r a d ，频率的单位是：r a d s 。 ( 2 ) 定义地面坐标系选择默认状态下的笛卡尔坐标系作为地面坐标系。 ( 3 ) 定义重力选择默认状态下为l g 的重力加速度，方向为z 方向，然后 系统根据设置的重力加速度对构件自动施加重力。 ( 4 ) 设置工作栅格在菜单s e t t i n g 中选择w o r k i n gg r i d ，出现栅格设置对 话框，x ，y 向的栅格范围分别设置为7 5 0 和5 0 0 ，x ，y 方向的栅格尺寸分别 设置为5 0 和5 0 ，按o k 确定。 ( 5 ) 设置图标尺寸在菜单s e t t i n g 中选择i c o n s ，出现图标设置对话框，在 n e ws i z e 中输入5 0 ，按o k 确定。 2 3 3 样机模型生成与细化 1 导入机械手模型 在欢迎界面选择i m p o r taf i l e ，在s t a r ti n 中写入n xe x 的保存路径，点 击o k 弹出f i l ei m p o r t 对话框，f i l et y p e 选择p a r as o l i d 格式，找到n x e x 文件，以m a n i p u l a t o r 作为样机模型文件名。 2 添加旋转铰链 机械手各杆件模型建立后，需要在各个杆件之间添加运动副以约束杆件的 自由度，由于该机械手具有六个转动自由度，所以在相邻的连杆之间添加铰链 转动副( j o i n t ：r e v o l u t e ) ；在工具与末端连杆6 之间添加固定副( j o i n t ：f i x e d ) ， 在基座、工件与大地之间添加固定副( j o i n t ：f i x e d ) 。 以b a s e 和l i n k1 的铰链约柬为例说明其添加方法：首先在主工具箱中选 择旋转铰链工具图标，然后依次选择连接构件l i n k1 和b a s e ，最后选择铰链 添加的位置，并将铰链重命名为j o i n tl 。按照同样的方法添加其它的铰链， 并修改铰链转动副的名字为j o i n t 一2 、j o i n t 3 、j o i n t 一4 、j o i n t 一5 、j o i n t 一6 。 3 添加固定铰链 1 4 山东理工大学硕士学位论文第二覃建立a s m p , o b o t 6 机器人虚拟样机 以基座b a s e 为例说明固定铰链添加方法：首先在主工具箱中选择固定铰 链工具图标，然后依次选择连接基座b a s e 和大地g r o u n d ，最后选择铰链添加 的位置 在a d a m s 中建成虚拟样机。其约束及受力情况如图2 - 4 所示。 乩 图2 - 4a d a m s 中的虚拟样机模型 2 4 添加关节角度范围传感器 为模型每个关节角建立两个传感器，分别限定角度正、负范