毕业设计开题报告-空间超冗余机械臂运动规划与可视化仿真

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目： 空间超冗余机械臂运动规划与可视化仿真 学生姓名: 学生学号: 专 业: 指导教师: 学院 (系): 教务处制表填表说明1. 根据上海交通大学关于本科生毕业设计(论文)工作的若干规定要求，每位学生必须认真撰写毕业设计（论文）开题报告。2. 每位学生应在指导教师的指导下认真、实事求是地填写各项内容。文字表达要明确、严谨，语句通顺，条理清晰。外来语要同时用原文和中文表达，第一次出现的缩写词，须注出全称。3. 开题前，须进行文献查阅，要求与论文研究有关的主要参考文献阅读数量不少于10篇，其中外文资料应占一定比例。参考文献的书写请参照上海交通大学本科生毕业设计（论文）撰写规范。4. 毕业设计（论文）开题报告总字数应满足本院（系）要求。5. 请用宋体小四号字体填写，并用A4纸打印，于左侧装订成册。 6. 该表填写完毕后，须请指导教师审核，并签署意见。7. 上海交通大学本科生毕业设计（论文）开题报告将作为答辩资格审查的主要材料之一。8. 本表格不够可自行扩页。 毕业设计（论文）开题报告毕业设计(论文)开题报告论文题目空间超冗余机械臂运动规划与可视化仿真课题来源国家级课题性质论文项目编号课题研究目的和意义（含国内外研究现状综述）：超冗余式变桁架机械臂（Variable Geometry Trussarm）与常见的起重机桁架结构相比，采用变几何桁架结构，由桁架中的部分杆件作为线性驱动杆，形成一种并行机械臂。变几何桁架结构是静定桁架中一些构件的长度可伸缩变化来实现桁架机构的运动，机构中每个构件受到拉力或压力，相邻杆之间不传递扭矩和弯矩，具有刚度大、易于模块化、工作空间大、承载能力高和灵巧性好等特点。将变几何桁架机构作为机械臂机构，以其特殊的结构特性和力学性能，克服了串联机器人结构刚度差和并联机器人机构工作空间小的缺点，在宇航空间、工业自动化和开发新型机器人机构等方面具有广阔的应用前景。变几何桁架机械臂最初是80年代在Stewart平台机器人基础上研发的由一系列几何基本单元组成的桁架结构。随后Warnaar和Chew等人对基本单元结构进行了综合分析，并对基本单元提出了可折叠性可伸缩的构件配置方式。Arun，Reinholtz和Watson等人研究了四面体、八面体、十面体、十二面体为基本单元了桁架组成结构。目前最常见的变桁架结构为以八面体为基本单元的超冗余结构，八面体上、中、下三个表面构成三个模组，分别由三个线性驱动杆组成，模组之间由被动杆与铰链连接。VGT结构的正向位置分析是由主动杆变化长度确定最终端面的位置和法向，它可以由各组成基本单元直接位置分析得出，但是因为较高的冗余度，其逆向位置分析十分复杂，必须把所有单元看成一个整体，已知末端执行器的位置和姿态，求解其对应的主动杆的长度。超冗余度机械臂的运动学算法大多数需要Jacobian伪逆运算，冗余度机械臂运动学逆解问题是学者们致力研究的对象。为解决这一问题，广义逆矩阵被广泛应用，主要是根据微分运动学中末端位置和指向与作动器长度的微分关系，进行数值积分得到最终期望状态的主动杆长。但其计算相当复杂，同时离散速度控制的精度差。为了解决雅可比方法计算量大和精度低的缺点，很多研究人员使用各种方法来求解高冗余度机械臂的逆向运动学：Sarma,Kramer和Rumamurti等人对多重四面体变几何桁架机器人机构建立了Newton-Euler形式的动力学方程；加拿大学者 Regina Lee详细叙述了变桁架式机械臂（VGT）的定义及运动学控制；G.S.Chirikjian等人提出了具有冗余自由度平面变几何桁架机器人的运动学、避障等问题的“脊线”算法。J.S.Pettinato研究了冗余自由度变几何桁架机构作为手指抓取物体时的操作性和稳定性问题，并在计算机上进行了仿真。近几年来，随着最优化方法的发展，许多学者开始运用非线性优化方法规划VGT逆向运动，取得不错成果。其中的内点法出色的超越性收敛性，结合非精确牛顿法和线性方程求解器后，能更好地运用于VGT冗余度解算和容错性研究。内点法解决VGT逆向运动学规划问题更为快速，应用范围较广，具有前瞻性和创新性。课题研究内容： 1、研究当前国内外超冗余机械结构的基本构型和组成单元，探求超冗余机械臂和普通机械臂结构的共同特点和差异。2、研究非线性优化的基本数学原理，研究凸优化中内点法在工程最优化设计中的应用。3、建立超冗余机械臂逆向运动学和动力学雅克比矩阵方程，进行动力学控制解算和仿真。4、研究内点法算法的改进和创新，以提高超冗余机械臂点对点规划的解算速度，同时研究故障状态下的路径规划，实现三维可视化仿真。研究主要分为三个阶段：1、对超冗余机械臂结构运动学和动力学进行研究，熟悉相关的力学性能，建立合适的数学分析模型。2、从数学模型入手，利用查阅到的工程最优化算法，实现机械臂基本单元的规划仿真，并且推广至多节、多桁架结构机械臂路径规划。3、运用可视化模块和软件，将计算得到的数据进行可视化仿真，以直观清楚地展现算法的改进和创新。研究方法和研究思路（技术路线）：1、 利用理论力学的相关知识，建立桁架结构各主动杆和被动杆的约束方程，阅读C语言、C+、Matlab和3ds max等计算仿真软件的教材，前三者主要用于运动学规划的解算和仿真，后者主要用于三维可视化的实现。2、 利用计算软件对机械臂单个模组即八面体结构进行运动学分析，然后推广至多模组结构，每一个杆构成一个约束方程，目标函数为当前末端坐标与期望坐标的空间距离，应用内点法，引入松弛变量将不等式约束转化为等式约束，利用拉格朗日乘子，对方程进行离散迭代，最终将问题转化为二次约束二次规划问题（QCQP）。3、 设计改进方案，处理QCQP问题中二次型矩阵的稀疏性，优化算法改进求解QCQP问题的速度与占用的内存。4、 搭建仿真系统平台，将算法模块、UI 模块和可视化模块集成到软件中，并进行三维空间中的正常与故障状态的仿真测试与验证，。预期研究结果：（可选填）1、 进行多冗余机械臂结构的动力学和运动学控制研究，建立运动矩阵方程。2、 应用内点优化方法法，提高规划路径的解算速度和解算精度，提出故障状态下的优化方法。3、 建立完整、易于观测的仿真可视化平台。计划进度安排：1. 查阅相关资料，了解国内外研究现状，学习计算软件Matlab和可视化仿真软件3ds max、Blender：2016.2。2. 学习机械臂结构数学建模，建立方程组，学习最优化方法和内点法的应用：2016.3。3. 进行冗余度解算和算法的优化改进：2016.4。4. 对数据进行可视化仿真，搭建仿真平台：2016.5。5. 撰写毕业论文：2016.6。参考文献：1HUGHES, PETER C., WAYNE G. SINCARSIN, AND KIERAN A. CARROLL. Trussarma variable-geometry-truss manipulatorJ. Journal of intelligent material systems and structures, Jan 1991. 148160.2LEE, REGINA SUN-KYUNG. Kinematic control experiments with trussarm, a variable-geometry-truss manipulatorD. National Library of Canada. 2000.3 CURTIS, FRANK E., OLAF SCHENK, AND ANDREAS WCHTER. An interior-point algorithm for large-scale nonlinear optimization with inexact step computationsJ. SIAM Journal on Scientific Computing, June 2010. 3447-3475.4 尹斌. 冗余机械臂运动学及避障路径规划研究D. 哈尔滨:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文, 2014.5 雷勇. 基于变几何桁架机构的宏-微机器人及其控制的研究D. 四川大学博士学位论文2002:2-3.6 D. B. Warnaar, Chew. Conceptual Design of Deployable-Foldable Truss Structures using Graph TheoryC. Proceedings on ASME Mechanisms Conference. 1990:107123.7 V. Arun, C. F. Reinholtz, L. T. Waton. Enumeration and Analysis of Variable Geometry Truss ManipulatorsC. Proceedings on ASME Mechanisms Conference. 1990,(26):9398258 G. S, Chirikjian, J. W. Burdick, Kinematically. Optimal Hyper-redundant Manipulator ConfigurationsJ. Robotics and Automation, IEEE Transaction on. Dec 1995, 11(6): 7948069 张莉. 重载冗余机械臂运动学力学分析及路径规划D. 哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2014.10 姜柏森, 杨永胜, 胡士强. 八面体变几何桁