挖掘机器人轨迹规划与仿真研究

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1、分类号：TP24学校代码：10109密级：公开太原科技大学硕士学位论文（学术型）学位论文题目：挖掘机器人轨迹规划与仿真研究英文题目：ResearchonTrajectoryPlanningandSimulationofExcavatorRobot研究生姓名：林贞国导师姓名及职称：李海虹副教授培养单位：机械工程学院学科专业：机械工程论文提交日期：2016年4月论文答辩日期：2016年6月10日答辩委员会主席：杨兆建教授论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除

2、了文中特别加标法和致谢的地方外，论文中不包一含其他人已经发表或撰写的研究成果。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明产生的法律后果由本人承担。＾友？旬论文作者签名：祠曰期；中文摘要中文摘要为实现挖掘机器人的自主挖掘功能，本文对挖掘机器人进行了轨迹规划方法的研究。首先在D-H坐标系下建立了挖掘机器人工作装置简图，完成正逆运动学分析，实现了位姿空间与关节空间的相互转换。结合挖掘机器人的结构参数，对挖掘机器人工作空间范围进行仿真分析，选取合理的作业区域，设定挖掘关

3、键点，通过空间样条曲线插值法获得挖掘机器人的空间挖掘路径。通过机器人工具箱（RoboticToolbox）进行轨迹规划问题的研究，建立挖掘机器人的连杆机构模型，实现正逆运动学仿真、完成笛卡尔空间路径仿真以及点到点的运动轨迹规划仿真，针对该轨迹规划方法仅能满足点到点运动规划的特点，进一步通过Matlab软件完成关节空间轨迹规划算法编程，进行轨迹规划仿真研究。为实现挖掘机器人连续路径下的挖掘过程规划，在关节空间提出了2类轨迹规划算法，即：关节空间分段多项式插值法，包括3-3-5-3-3、3-3-3-3-3、3-3-3-3-5分段多项式

4、插值法；以及关节空间函数拟合法，包括n次多项式拟合法及傅里叶级数拟合法，并对这些轨迹规划方法进行仿真，对比说明各种轨迹规划方法的适用条件及优缺点。选择分段多项式3-3-5-3-3轨迹规划方法，结合工作装置的动力学特性要求，提出了一种新的分段可变阶多项式轨迹优化方法，对于轨迹规划结果中加速度阶跃较大、超出约束值的轨迹多项式段，通过各关节加速度的约束值，逆向求解修正多项式的最高阶次数，实现二次规划，并进行轨迹规划仿真，满足了工作装置结构动力学特性要求。对于修正前后得到的轨迹规划结果，通过正运动学计算，实现将关节空间的轨迹规划结果映射到

5、笛卡尔空间中铲斗的空间路径，通过与预先规划的挖掘路径进行比较，得到修正后相比修正前的路径与预先规划的路径误差更小，精确度更高。本文通过优化得到的分段可变阶多项式轨迹规划方法，能够完成挖掘机器人连续路径下的工作任务、工作过程平稳连续、工作精度较高、满足工作装置结构动力学特性要求。关键词：挖掘机器人；轨迹规划；机器人工具箱；关节空间插值法；关节空间拟合法；分段可变阶多项式IABSTRACTABSTRACTToachieveautonomousminingfunctionofexcavatorrobot,thispaperresearc

6、hontheexcavatorrobotoftrajectoryplanningmethod.FirstofallintheD-Hcoordinatesystemestablishedsketchofworkingdeviceofexcavatorrobot,completedkinematicsandinversekinematicsanalysis,realizesthemutualconversionoftheposespaceandjointspace.Combinedwiththestructureparameterso

7、faexcavatorrobot,conductexcavatorrobotworkspacesimulationanalysis,selectingoperatingregion,settingupreasonableminingkeypoints,spacesplinecurveinterpolationmethodwasusedtoobtainaexcavatorrobotspaceminingpath.Throughtheroboticstoolboxfortrajectoryplanningproblemresearch

8、,establishthelinkagemodeloftheexcavatorrobot.realizedtheforwardandinversekinematicssimulation,completepathsimulationinCartes