三维空间机械臂路径规划及减振运动控制分析.pdf

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:李光教授学科专业:机械设计及理论研究方向:包装机械设计理论与控制技术湖南工业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 Reductionof Three-dimensional Space Manipulator 研究生姓名:刘领化指导教师姓名、职称:李光教授学科专业:机械设计及理论研究方向: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 I 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 II Abstract The researchsof manipulator mainly including kinematics and dynamics,path planning of obstacle avoidance and motion control of vibration reductionofflexible manipulatorare always the important content of roboticarm kinematics and paperis 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 obstaclesinterfere with the two rotatinglinks decided by obstacle’sheight, 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-d