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基于遗传算法的机械手时间最优轨迹规划

时间:2020-10-11 19:54 | 栏目:机械论文 | 浏览:

硕士论文网第2020-10-11期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械论文文章《基于遗传算法的机械手时间最优轨迹规划》,供大家在写论文时进行参考。
  本篇论文是一篇机械硕士论文,机械臂动力学主要展现的是机械臂的运动与驱动这种运动的力、力矩之间的关联,目的是控制机械臂,并且还可以对其进行优化和仿真。机械臂的动力学模型可由已知的物理参数求得,也就是说要用杆件的几何参数和惯性参数等物理参数来建立机械臂各关节的动力学方程。用牛顿欧拉方程法可以通过推导得到一组递归方程,但是这种方法很难用于推导高级控制的规律。相对而言,拉格朗日方程法的结构形式比较完美,但是如果对计算不进行简化的话,则会因计算困难无法达到预想的结果。

  第1章 绪论

  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。
位置矢量的表示
  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2章机器人运动学分析与仿真研究

  2.1 位姿描述与齐次变换
  刚体构件位姿的描述指的是对刚体构件位置和构件姿态的描述,刚体构件的位姿对应的是刚体的空间状态。位姿确定了,空间状态也就确定了。为了将刚体在空间的位姿描述清楚,在刚体上固结直角坐标系丨,一般直角坐标系的原点位于刚体构件的比较特殊的点处,如质心、对称中心等。本章介绍了建立运动学方程涉及到的两坐标之间的变换,还介绍了法的规则,简化了整体机械臂几何模型,建立了连杆坐标系,采用方法建立齐次变换矩阵来表示相邻两构件的位置关系,根据模型参数和运动学理论基础求得机械臂正运动学方程,并计算了选定对象的正运动学方程,用做了仿真实验,仿真结果与计算结果进行对比得出仿真结果和计算结果相近,进而验证了该机械臂正运动学方程的正确性;最后做了逆运动学分析,即给定机械臂末端位姿求得各关节的转动角度,为后续的轨迹规划做了铺塑。在求解机械臂各关节动力学方程之前,必须首先对动力学方程做一些简化,主要是从以下几个方面做的简化,简化了速度、动能以及位能;然后选用拉格朗日方程法,根据奸件的几何参数和惯性参数来建立机械臂各关节的动力学方程,其中主要是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。
旋转矩阵的表示
  2.2 运动学分析与仿真
  为了清楚地描述杆件之间的位置关系,和提出了一种用四个元素来描述一个杆件,其中两个参数是杆件自身参数,另外两个是该杆件和相邻杆件之间的关系参数,用这种四元数来表示各杆件之间关系的一种方法,简单称之为方法。该方法的主要用途在于用每个杆件的四个参数建立齐次变换矩阵,实现两个相邻轩件的相互转化,建立每个坐标系要遵循以下规则:轴沿着第关节的运动轴;轴垂直于轴并指向远离的方向;轴按照右手坐标系建立。重要的是,刚性杆的表示法需要知道以下参数:从到沿着测量的距离;从到绕着旋转的角度;从到沿着—测量的距离;从到绕着旋转的角度。机械臂本体的关节结构由回转的机体、肩、大臂、小臂、腕部,机械臂手部等部分组成,共有六个旋转关节组成,属于典型的关节型机械臂,由六个关节共同影响机械臂的位姿变化,机械臂的逆运动学计算是机械臂轨迹规划的理论基础,但是在求解运动学逆解的时候,求解方程中有许多角度之间的稱合,为了使角度之间解稱,方便求解各个角度的正或者余弦,本文采用矩阵求逆原理,将等式右边转化为只包含一个角度的关系式,这样通过求解矩阵的逆以及矩阵之间的运算,可以得到该角度值,实现角度的解稱,完成运动学方程的求逆。

  第3章 机械臂动力学分析

  3.1 建立动力学方程的方法简介
  3.2 机械臂的动力学方程及其简化
  3.3 PUMA560机械臂动力学方程建立
  3.4 本章小结

  第4章  PUMA560机械臂轨迹规划及仿真

  4.1 轨迹规划概述
  4.2 关节空间轨迹规划
  4.3 笛卡尔空间轨迹规划
  4.4 B-样条插值仿真
  4.5 本章小结

  第5章 基于遗传算法的时间最优算法

   5.1 机械臂最优时间轨迹规划概述
   5.2 遗传算法的基本原理
   5.3 机械臂关节空间B-样条轨迹时间优化
   5.4 基于遗传算法的寻优
   5.5 基于遗传算法的时间优化仿真
   5.6本章小结

  总结与展望

  首先,进行了运动学分析简化整体机械臂的几何模型,建立连杆坐标系,用建立了运动学方程,并用做了仿真,仿真结果与计算相近,说明了运动学方程的正确性,进一步分析了运动学方程的逆解,即机械臂逆运动学方程,为下一步机械臂轨迹规划做了铺垫。其次,建立了动力学方程,采用拉格朗日方程法建立了的动力学方程,为后续机械臂轨迹规划奠定了基础。然后,采用样条函数规划机械臂轨迹,在预定的轨迹上插值得到一些中间型值点,其中型值点的坐标是以笛卡尔坐标给出,而轨迹规划是在关节空间进行的,所以将笛卡儿坐标系下的型值点坐标转换为关节空间中的关节角度,根据这些关节角度用样条函数拟合各关节运行轨迹,并导入中仿真,得到各关节角位移、角速度和角加速度的变化曲线,分析结果。最后,采用遗传算法,并且让机械臂满足运动学约束如角速度约束、角加速度约束以及角加速度变化量约束,同时还要满足动力学约束如力矩约束,考虑时间最优,据此优化上述样条轨迹,得到满足运动学和动力学约束的样条时间最优轨迹。本课题的研究还有一些需要完善和改进,今后的工作可以从以下两方面展开:本文仅以时间作为优化目标,没有考虑能量消耗、机械臂运行过程中的冲击,今后可以将能量最优、冲击最小或者这些优化目标综合最优为优化目标进行优化;本文只是理论上计算了机械臂各关节的运行轨迹,并用虚拟模拟了整个运行过程,模拟仿真出来的数据和计算结果之间有误差,这对规划得到的机械臂轨迹精度会有影响,有待于进一步进行实验验证。


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