自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究

8435759自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究-目錄自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究01PART1自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究一、對(duì)課題的理解隨著智能制造、中國(guó)制造2025等國(guó)家戰(zhàn)略的提出，提高機(jī)器人智能化程度已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)機(jī)器人智能化主要是指機(jī)器人可以自主的完成工作任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃早期機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃使用的是人工示教的方法，該方法繁瑣且效率低下，無(wú)法達(dá)到機(jī)器人自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的要求運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究能夠提高機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)能力，將機(jī)器人的示教編程轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊，只需要確定目標(biāo)和環(huán)境即可快速地達(dá)到工作目的，通過(guò)調(diào)用上層運(yùn)動(dòng)規(guī)劃接口減少對(duì)控制器的底層編程，大大加快項(xiàng)目中機(jī)器人的部署速度，從而降低勞動(dòng)力成本高效靈活的自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力已成為當(dāng)前的生產(chǎn)生活對(duì)機(jī)器人提出的一個(gè)迫切而實(shí)際的要求自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究1機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩部分2在路徑規(guī)劃方面，主要有以A*算法為代表的圖搜索方法、人工勢(shì)場(chǎng)法以及以RRT算法為代表的隨機(jī)采樣方法3此外，隨著深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的火熱研究，近年來(lái)人們對(duì)基于深度學(xué)習(xí)的方法也有了一定程度的研究4在軌跡規(guī)劃方面，主要有基于多項(xiàng)式、B樣條插補(bǔ)等方法的基本軌跡規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上，形成了以遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等為代表的單目標(biāo)軌跡優(yōu)化算法及以非支配排序遺傳算法、多目標(biāo)粒子群算法、差分進(jìn)化算法等為代表的多目標(biāo)軌跡優(yōu)化算法5雖然目前的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃都存在了不少的解決方法，但由于主流的機(jī)械臂都具有六個(gè)自由度，七自由度冗余機(jī)械臂的研究近年來(lái)也逐漸風(fēng)生水起，甚至也有不少八自由度機(jī)械臂的研究，自由度的增加使得機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃變得尤為復(fù)雜自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究010203050406在路徑規(guī)劃方面，圖搜索的方法由于一般適用于移動(dòng)機(jī)器人，雖然經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可以適用于機(jī)械臂，但取得的效果仍屬一般人工勢(shì)場(chǎng)法也取得了一定的效果，但存在著明顯的缺點(diǎn)，很容易陷入局部極小值智能優(yōu)化、深度學(xué)習(xí)等方法則由于隨機(jī)性強(qiáng)、原理不明等無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際在諸多方法中，只有基于隨機(jī)采樣的方法效果較好，越來(lái)越多的研究也使得該類(lèi)方法取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中還存在一些問(wèn)題例如路徑規(guī)劃的規(guī)劃過(guò)程需要速度更快，規(guī)劃的距離需要距離更短，軌跡規(guī)劃得到的軌跡也有運(yùn)行時(shí)間最短、沖擊最小、能量消耗最少等要求怎樣使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃更加快速和穩(wěn)定，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究二、國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)1、研究現(xiàn)狀機(jī)械臂如今已經(jīng)有將近80年的歷史了，隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步，學(xué)科的多元發(fā)展，機(jī)械臂的研究越來(lái)越具有綜合性，涉及范圍越來(lái)越廣ABB公司研制的IRB6400RF作為六自由度機(jī)械臂十分具有代表性IRB6400RF的實(shí)際操作距離可以達(dá)到2.5m，它的承載能力也上升至200kg自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究1在相同類(lèi)型的六自由度機(jī)器人中精確度已經(jīng)是最高的，甚至剛度也是最大2它配備了先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，可以規(guī)避障礙物，從而達(dá)到減少工具由于碰撞而損壞的風(fēng)險(xiǎn)3ABB自家獨(dú)有的控制技術(shù)，使得機(jī)械臂能實(shí)時(shí)根據(jù)它自身運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了機(jī)械臂整體的穩(wěn)定性4該機(jī)械臂擁有一流的路徑跟蹤精度和重復(fù)定位精度，所能達(dá)到的效果就是不論速度如何，它均可沿著運(yùn)行路徑不改變自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究采用了全鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)于各種惡劣生產(chǎn)環(huán)境均能適應(yīng)，整個(gè)機(jī)械臂達(dá)到IP67級(jí)密閉性瑞士Neuronics公司發(fā)布了一款名為Katana的機(jī)械臂，這款機(jī)械臂在設(shè)計(jì)時(shí)同樣是以六個(gè)自由度來(lái)配備它重達(dá)4kg，可達(dá)最大電壓和最大電流分別為12伏特和6安培值得一提的是，它的定位精度可以精確到微米級(jí)，精度十分高為了使Katana能夠容易得集成至任意一個(gè)自動(dòng)化環(huán)境中，給它配備了一塊強(qiáng)大的主板，功能豐富在主板上，外設(shè)接口分布充足，足夠用戶(hù)去使用主板采用了高端的PowerPC處理器，該處理器集成了FPU(浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算單元)，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB器件，CAN，Ethernet，2個(gè)串口以及一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字I/O接口機(jī)械臂Katana的通用性和多功能性很強(qiáng)得益于在主板內(nèi)的嵌入式Linux內(nèi)核具有實(shí)時(shí)狀態(tài)最優(yōu)的特性自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究國(guó)外的各類(lèi)型機(jī)械臂雖然在各自的領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，但是智能化的程度還有巨大的空間，研究需要繼續(xù)下去，與其他學(xué)科融合，達(dá)到更驚人的效果我國(guó)的機(jī)器人研究對(duì)比國(guó)外起步較晚，從上世紀(jì)六十年代才慢慢發(fā)展起來(lái)雖然起步較晚，但是在我國(guó)眾多大學(xué)教授和工程師的共同努力下，國(guó)內(nèi)的機(jī)械臂技術(shù)迎頭趕上國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)成熟的技術(shù)起初，國(guó)內(nèi)剛開(kāi)始發(fā)展機(jī)械臂的時(shí)期，國(guó)內(nèi)的主要研究方向就是跟蹤外國(guó)的技術(shù)，主要是三種類(lèi)型的工業(yè)機(jī)器人研究它們的目的只要是為了解放生產(chǎn)力，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)然而，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的持續(xù)攀升，國(guó)家也已經(jīng)意識(shí)到一味的模仿借鑒國(guó)外技術(shù)是不可能長(zhǎng)久的自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究因此我們需要發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新機(jī)器人，在性能及技術(shù)上取得突破，快速推進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化有利于增強(qiáng)我國(guó)工業(yè)化實(shí)力在國(guó)外工業(yè)40的影響下，我國(guó)也公布了"中國(guó)制造2025"的戰(zhàn)略方針目前國(guó)內(nèi)也是緊跟國(guó)際趨勢(shì)，大力發(fā)展柔性化、智能化的機(jī)器人柔性機(jī)械臂在空間站中應(yīng)用十分廣泛，而我國(guó)的航空航天技術(shù)一直處于世界前列那么發(fā)展柔性機(jī)械臂也是為了將來(lái)我國(guó)建立太空空間站做好充足準(zhǔn)備，富有戰(zhàn)略意義總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)整體機(jī)械臂制造業(yè)與國(guó)外相比相對(duì)處于落后的狀態(tài)，雖然在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展已經(jīng)逼近甚至領(lǐng)先于世界水平，但是還是需要不斷的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新2、發(fā)展趨勢(shì)自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究目前，機(jī)械臂的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代，隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的創(chuàng)新，機(jī)械臂乃至整個(gè)機(jī)械工業(yè)都朝著高精度、高速化、柔性化、模塊化、智能化的方向急速發(fā)展。尤其在經(jīng)濟(jì)全球化，工業(yè)全球化的背景下，模塊化、智能化和柔性化的機(jī)械臂具有巨大的發(fā)展空間，也是全世界工程師集中研發(fā)的重要部分三、課題主要工作一、設(shè)計(jì)思想本論文對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃開(kāi)展了研宄，以UFACTORY公司的六自由度機(jī)械臂xArm6為研宄對(duì)象，對(duì)機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃和路徑規(guī)劃進(jìn)行了理論探索、仿真實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比二、擬采用的方法及手段、提綱第1章，首先介紹了論文的研宄背景與意義，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃和口路徑規(guī)劃的研宄成果進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述自由度機(jī)械臂自主避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究第2章，首先介紹了用于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的改進(jìn)D-H(MD-H)參數(shù)法，然后推導(dǎo)了機(jī)械臂xArm6的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，最后利用分組包絡(luò)法求解了機(jī)械臂xArm6的工作空間，完成了三維可視化并基于靈活度對(duì)工作空間進(jìn)行了分析第3章，首先介紹了關(guān)節(jié)空間中常用的軌跡規(guī)劃方法，然后介紹并仿真實(shí)現(xiàn)了笛卡爾空間下空間直線(xiàn)和空間圓弧的軌跡規(guī)劃，最后結(jié)合B樣條曲線(xiàn)和遺傳算法提出了一種基于三次B樣條和IAGA優(yōu)化的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法，并以機(jī)械臂xArm6為對(duì)象進(jìn)行了機(jī)械臂抓取應(yīng)用場(chǎng)景的仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)第4章，首先介紹了RRT算法和RRT*算法，然后從約束采樣空間、啟發(fā)式引導(dǎo)和雙向策略三個(gè)方面對(duì)RRT*算法進(jìn)行了優(yōu)化討論，在此過(guò)程中提出了DG-RRT*算法和RRT*-MC算法并進(jìn)行了仿真對(duì)比，最后融合informedRRT*算法、DG-RRT*算法和RRT*-MC算法得到IDG-RRT*-MC算法，在多種2D和3D仿真環(huán)境下與前沿的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了充足的仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提算法的高效性自由度機(jī)械臂自主避