自由度机械臂自主避障运动规划的研究

8435759自由度机械臂自主避障运动规划的研究-目录自由度机械臂自主避障运动规划的研究01PART1自由度机械臂自主避障运动规划的研究自由度机械臂自主避障运动规划的研究一、对课题的理解随着智能制造、中国制造2025等国家战略的提出，提高机器人智能化程度已经成为必然的趋势机器人智能化主要是指机器人可以自主的完成工作任务，即实现机器人自主避障运动规划早期机器人运动规划使用的是人工示教的方法，该方法繁琐且效率低下，无法达到机器人自主避障运动规划的要求运动规划的研究能够提高机器人自主运动能力，将机器人的示教编程转化为运动规划模块，只需要确定目标和环境即可快速地达到工作目的，通过调用上层运动规划接口减少对控制器的底层编程，大大加快项目中机器人的部署速度，从而降低劳动力成本高效灵活的自主避障运动规划能力已成为当前的生产生活对机器人提出的一个迫切而实际的要求自由度机械臂自主避障运动规划的研究1机械臂运动规划分为路径规划和轨迹规划两部分2在路径规划方面，主要有以A*算法为代表的图搜索方法、人工势场法以及以RRT算法为代表的随机采样方法3此外，随着深度学习、强化学习的火热研究，近年来人们对基于深度学习的方法也有了一定程度的研究4在轨迹规划方面，主要有基于多项式、B样条插补等方法的基本轨迹规划，在此基础上，形成了以遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等为代表的单目标轨迹优化算法及以非支配排序遗传算法、多目标粒子群算法、差分进化算法等为代表的多目标轨迹优化算法5虽然目前的机械臂运动规划都存在了不少的解决方法，但由于主流的机械臂都具有六个自由度，七自由度冗余机械臂的研究近年来也逐渐风生水起，甚至也有不少八自由度机械臂的研究，自由度的增加使得机械臂的运动规划变得尤为复杂自由度机械臂自主避障运动规划的研究010203050406在路径规划方面，图搜索的方法由于一般适用于移动机器人，虽然经过改进后可以适用于机械臂，但取得的效果仍属一般人工势场法也取得了一定的效果，但存在着明显的缺点，很容易陷入局部极小值智能优化、深度学习等方法则由于随机性强、原理不明等无法应用于实际在诸多方法中，只有基于随机采样的方法效果较好，越来越多的研究也使得该类方法取得了长足的进展，但在机械臂运动规划中还存在一些问题例如路径规划的规划过程需要速度更快，规划的距离需要距离更短，轨迹规划得到的轨迹也有运行时间最短、冲击最小、能量消耗最少等要求怎样使机械臂的运动规划更加快速和稳定，仍然是一个亟待解决的问题自由度机械臂自主避障运动规划的研究二、国内外研究状况及发展趋势1、研究现状机械臂如今已经有将近80年的历史了，随着人类科技的进步，学科的多元发展，机械臂的研究越来越具有综合性，涉及范围越来越广ABB公司研制的IRB6400RF作为六自由度机械臂十分具有代表性IRB6400RF的实际操作距离可以达到2.5m，它的承载能力也上升至200kg自由度机械臂自主避障运动规划的研究1在相同类型的六自由度机器人中精确度已经是最高的，甚至刚度也是最大2它配备了先进的运动控制系统和碰撞检测系统，可以规避障碍物，从而达到减少工具由于碰撞而损坏的风险3ABB自家独有的控制技术，使得机械臂能实时根据它自身运动时的加速度时刻进行优化处理，提高了机械臂整体的稳定性4该机械臂拥有一流的路径跟踪精度和重复定位精度，所能达到的效果就是不论速度如何，它均可沿着运行路径不改变自由度机械臂自主避障运动规划的研究采用了全钢结构，对于各种恶劣生产环境均能适应，整个机械臂达到IP67级密闭性瑞士Neuronics公司发布了一款名为Katana的机械臂，这款机械臂在设计时同样是以六个自由度来配备它重达4kg，可达最大电压和最大电流分别为12伏特和6安培值得一提的是，它的定位精度可以精确到微米级，精度十分高为了使Katana能够容易得集成至任意一个自动化环境中，给它配备了一块强大的主板，功能丰富在主板上，外设接口分布充足，足够用户去使用主板采用了高端的PowerPC处理器，该处理器集成了FPU(浮点数计算单元)，2个USB主机，1个USB器件，CAN，Ethernet，2个串口以及一些标准数字I/O接口机械臂Katana的通用性和多功能性很强得益于在主板内的嵌入式Linux内核具有实时状态最优的特性自由度机械臂自主避障运动规划的研究国外的各类型机械臂虽然在各自的领域已经达到了很高的水平，但是智能化的程度还有巨大的空间，研究需要继续下去，与其他学科融合，达到更惊人的效果我国的机器人研究对比国外起步较晚，从上世纪六十年代才慢慢发展起来虽然起步较晚，但是在我国众多大学教授和工程师的共同努力下，国内的机械臂技术迎头赶上国外发达国家目前已经成熟的技术起初，国内刚开始发展机械臂的时期，国内的主要研究方向就是跟踪外国的技术，主要是三种类型的工业机器人研究它们的目的只要是为了解放生产力，为国民经济建设服务然而，随着我国综合国力的持续攀升，国家也已经意识到一味的模仿借鉴国外技术是不可能长久的自由度机械臂自主避障运动规划的研究因此我们需要发展拥有自主知识产权的高新机器人，在性能及技术上取得突破，快速推进我国机器人产业化有利于增强我国工业化实力在国外工业40的影响下，我国也公布了"中国制造2025"的战略方针目前国内也是紧跟国际趋势，大力发展柔性化、智能化的机器人柔性机械臂在空间站中应用十分广泛，而我国的航空航天技术一直处于世界前列那么发展柔性机械臂也是为了将来我国建立太空空间站做好充足准备，富有战略意义总的来说，我国整体机械臂制造业与国外相比相对处于落后的状态，虽然在某个领域内发展已经逼近甚至领先于世界水平，但是还是需要不断的学习和创新2、发展趋势自由度机械臂自主避障运动规划的研究目前，机械臂的发展已经经历了三代，随着时代的进步，科技的创新，机械臂乃至整个机械工业都朝着高精度、高速化、柔性化、模块化、智能化的方向急速发展。尤其在经济全球化，工业全球化的背景下，模块化、智能化和柔性化的机械臂具有巨大的发展空间，也是全世界工程师集中研发的重要部分三、课题主要工作一、设计思想本论文对机械臂的运动规划开展了研宄，以UFACTORY公司的六自由度机械臂xArm6为研宄对象，对机械臂的轨迹规划和路径规划进行了理论探索、仿真实现和实验对比二、拟采用的方法及手段、提纲第1章，首先介绍了论文的研宄背景与意义，然后对国内外针对机械臂轨迹规划和口路径规划的研宄成果进行了系统性综述自由度机械臂自主避障运动规划的研究第2章，首先介绍了用于机械臂运动学建模的改进D-H(MD-H)参数法，然后推导了机械臂xArm6的正运动学方程，最后利用分组包络法求解了机械臂xArm6的工作空间，完成了三维可视化并基于灵活度对工作空间进行了分析第3章，首先介绍了关节空间中常用的轨迹规划方法，然后介绍并仿真实现了笛卡尔空间下空间直线和空间圆弧的轨迹规划，最后结合B样条曲线和遗传算法提出了一种基于三次B样条和IAGA优化的时间最优轨迹规划方法，并以机械臂xArm6为对象进行了机械臂抓取应用场景的仿真对比实验第4章，首先介绍了RRT算法和RRT*算法，然后从约束采样空间、启发式引导和双向策略三个方面对RRT*算法进行了优化讨论，在此过程中提出了DG-RRT*算法和RRT*-MC算法并进行了仿真对比，最后融合informedRRT*算法、DG-RRT*算法和RRT*-MC算法得到IDG-RRT*-MC算法，在多种2D和3D仿真环境下与前沿的路径规划算法进行了充足的仿真对比实验，验证了所提算法的高效性自由度机械臂自主避