基于遗传算法的机械手时间最优轨迹规划

  1.1 课题的研究意义和背景

  智能型工业机器人是一种集多学科先进技术于一体的高技术、高强度、高速度、高精度产品。智能型工业机器人已经同时具备了人类和机器的特殊性，不仅拥有人对环境的快速反应和分析判断的能力，而且还可以从事持续很长时间的工作（如昼夜工作）就像机器，而且还具有高可靠性并且不怕恶劣环境的能力。目前我国有一部分的工作主要是靠人工作业，例如物体的搬运、机床上工件的装卸等等，就机床上工件的装卸来说，对于小型工件是由工人自己搬运，对于大型工件是靠工人操作天车来装卸，这样工人的劳动强度非常大，用机械臂代替人工劳动可以减轻工人的劳动强度，节约大量的劳动力；同时装卸工人的劳动强度也特别大、工作效率自然就非常低，并且在这样嘈杂的环境下长期工作的话，对装卸工人们的身心健康也会造成非常严重的危害。如果用机械臂来代替装卸工作，只要设定机械臂运行轨迹就可以使其昼夜不分的工作，不仅能够可靠抓取、准确摆放提高了产品生产的效率，实现了产品统一化，同时大大降低了工人们的劳动强度，节省了大量的人力，而且最主要的是提高了装卸效率。因此，通过机械臂代替人工作业成为一种合理的最佳选择，不管是在国内还是在国外，对机械臂的研究已成为机械行业研究的热点话题之一⑴。而对于一个拥有大量的自动化生产线的国家来说，如果绝大多数的工作都能用机械臂进行作业，那么机械行业前景将会极其广阔⑴。总之，广泛采用工业机械臂进行工作不仅可以节省大量的劳动力，大幅度降低了生产成本，明显提高最终产品的质量与产量，从而从整体上提高企业竞争力，同时它更可靠的保障了工人们的人身安全，改善了工人们的工作条件，因此，使用工业机械臂代替人工作业早己不只是简单意义上的用它来代替人力劳动。在实际应用过程中，机械臂工作性能的好与坏是以其工作效率和工作可靠性作为衡量标准，所以目前当务之急是如何提高机械臂的工作效率以及工作的可靠性。机械臂在通常作业时经常会面临许多难题，比如机械臂在起动和停止时手部出现严重抖动，机械臂末端到达指定位置不够精确等问题⑷，如果情况比较严重的话，以上所说的这些现象会引起机械臂机构的严重受损。综上分析可知机械臂在沿轨迹运行过程中必须遵循一个原则，即运行轨迹曲线应尽量平滑连续，这样机械臂运行就会比较平稳，要尽量避免角速度以及角加速度的突变。如果整个运动非常不平稳，就可能会引起机械臂机构的振动，导致机械构件的磨损加剧。

  1.2 课题研究目标及研究内容

本课题旨在规划出一条运行过程中机械臂各关节角位移、角速度、角加速度无突变的时间最优无碰运动轨迹。根据工作环境和工作任务选定机械臂，建立运动学模型，建立动力学模型，采用样条函数规划出一条机械臂各关节的无碰轨迹，以时间最优为准则优化上述轨迹。本文选定为研究对象，如图所示。用方法建立该机械臂运动学方程，并用仿真；然后用拉格朗日方程法建立动力学方程；经过对比一些拟合轨迹的函数，最后选定用样条函数规划机械臂轨迹，得到各关节的角位移、角速度以及角加速度变化曲线，由于角加速度曲线有明显突变得知该轨迹不是最优轨迹；选定以时间作为优化目标来优化轨迹，最终得到满足各种约束条件的时间最优机械臂末端轨迹。建立机械臂工作环境及机械臂三维实体的模型，设定机械臂的摆放位置，确定机械臂各杆件参数，以保证满足工作需求。用建立选定研究对象三维简实体，为后续研究提供依据和仿真模型。运动学模型的建立及仿真，本文的主要目标是规划出一条时间最优的运动轨迹，而机械臂运动轨迹规划是逆运动学问题的实际应用，故运动学分析是必不可少的。首先，简化整体机械臂的几何模型，建立连杆坐标系，用方法建立坐标齐次变换矩阵，并根据模型参数以及运动学理论基础建立统一的正运动学方程组。进一步推算运动方程的逆解，进而为实现末端给定任务的机械臂路径规划做铺塾。用拉格朗日方程法建立机械臂动力学方程，首先，就建立动力学方程的几种方法分别做了详细的介绍；然后，选定用拉格朗日方程法来建立动力学方程，对拉格朗日方程法做了详细的分析推导；考虑到动力学方程的强稱合性和非线性，在求解机械臂各关节的动力学方程之前，对动力学方程做了一些简化，简化了速度、动能以及位能；用拉格朗方程法，根据杆件的几何参数和惯性参数建立了机械臂各关节的动力学方程，主要计算了各连杆的变换矩阵、各连杆的伪惯性矩阵、连杆系统惯量矩阵。最后，根据运动学分析时建立的简化几何模型以及一些模型参数，通过大量计算，应用拉格朗日方程法建立了的动力学方程。机械臂运动的轨迹规划，首先介绍常见的机械臂轨迹规划方法，主要从关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划两方面介绍了一些轨迹规划方法，然后对比这些轨迹规划方法，找出它们的优缺点，釆用样条函数进行轨迹规划，在给定轨迹上插值得出一些中间插值点（型值点），用逆运动学将这些型值点转化到关节空间得到关节角度值，将笛卡尔空间的轨迹约束转化到关节空间；然后用样条函数拟合出各关节的运行轨迹。同时将得到的数据导入中进行轨迹规划仿真，得出各关节角位移、角速度、角加速度变化曲线。以时间最优为准则优化轨迹，机械臂目标最优轨迹规划，优化目标主要有时间最优、能量最优、冲击最优以及这些优化目标的综合最优，选定以时间最优作为优化目标；实现时间最优的方法众多，经过对比蹄选，在考虑了角速度约束、角加速度约束、角加速度变化量约束以及力矩约束，选用遗传算法来优化机械臂整个轨迹运行的时间，给出了具体的优化步骤，得到了满足运动学约束和动力学约束的样条时间最优轨迹。本章首先说明了本课题的研究背景和研究意义，就机械臂目前的使用情况做了简单绍，然后针对机械臂最优轨迹规划方法，在国内外研究现状分析了的基础上，提出了本文的研究内容以及研究目标。

  第3章 机械臂动力学分析