多关节机器人运动学与轨迹规划及仿真研究

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1、分类号：ＴＰ２７３单位代码：１０１８３研究生学号：２０１巧２４０４５密级：公开馨吉林大学硕古学位论文专化学化（）多关节机器人运动学与轨迹规划及仿真硏究ＭｕｌｔｉｐｌｅＪｏｉｎｔＲｏｂｏｔｉｃＫｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄＴｒａｊｅｃｔｏｒｙＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｒｃｈｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａ作者姓名：姜立类别：工程硕±领域（方向）：控制工程指导教师：隋振副教授培养单位：通信工程学院２０１６年６月未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部

2、分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使巧（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博±（或硕学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除义中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重耍贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：這蔓日期：年６月ｔ日—————————————————————多关节机器人运动学与轨

3、迹规划及仿真研究—————————————————————MultipleJointRoboticKinematicsandTrajectoryPlanningandSimulationResearch作者姓名：姜立领域(方向)：控制工程指导教师：隋振副教授类别：工程硕士答辩日期：2016年6月4日摘要摘要多关节机器人运动学与轨迹规划及仿真研究随着工业机器人广泛地在焊接、搬运、码垛、喷涂等领域大显身手，工业机器人的应用领域变得更加宽广。在应用过程中，对机器人空间位姿具有很严格的要求，但却不能通过示教的方式来解决这一问题。因此，必须对机器人逆运动学问题进行求解，并且在逆运动学解的基础上进行

4、多解优化和完成轨迹规划，最终替代示教器的功能，提高机器人的智能水平，实现机器人离线编程。针对不满足PIEPER准则的6R机器人的逆运动学解算法，存在计算过程特别复杂，或者不能求出逆运动学方程。所以本文提出一种基于多种群连续遗传算法的机器人逆运动学算法。通过多种群算法，避免算法陷入局部最小值，提高算法收敛精度；通过连续遗传算法，加快算法的收敛速度。通过对全部机器人逆运动学解进行一定规则的优化，得到一个最优的工程逆运动学解；再通过对机器人关节角度进行规划，得到一个最优的机器人连续运动的角度时间关系。以松下TA1400机器人作为求解的实例表明，本文提出的算法计算逆运动学解不受机器人几何结构的限

5、制，并且末端位姿误差可以精确到小数点后2位，可在高精度轨迹跟踪问题中应用。本文主要研究内容如下：1）阐述了国内外对机器人逆运动学求解、逆解的多解优化和关节空间轨迹规划以及三维建模仿真的研究现状，介绍了课题的研究意义、背景。研究了空间位姿的表示方法以及多关节机器人的运动学问题。对机器人的工作空间进行分析，为后续的一般几何结构机器人逆运动学解的求取打下了良好的基础。2）对遗传算法原理进行简单介绍。针对该算法的收敛速度慢和收敛精度不高等问题，提出多种群连续遗传算法。对一个一般几何结构的6自由度机器人的逆运动学解问题，同时利用基本遗传算法和改进后的算法进行求取，得到改进后的算法的收敛速度和收敛精

6、度具有较大的提高，该算法可以在工程实际中应用。同时，对后面的多解优化以及关节角度规划打下了基础。3）对机器人逆运动学解的多解问题进行研究。通过对机器人划线过程的分析，对逆解进行多解优化，得到一个唯一的工程解。对多解优化后的结果在关节角度内进行直线插补、抛物线插补、多项式插补和样条曲线插补，分析各种插值结果的优劣性。依据各种插补的结果，同时参考笛卡尔空间轨迹的长度，为轨迹跟踪打下良好的基础。4）验证各种插值结果对轨迹跟踪的精度影响。对于各种轨迹规划进行MATLAB编程，对各种关节轨迹规划后的角度、速度、加速度以及加加速度进行仿真，检验它们是否连续，最后得到合理的规划方法。编写机器人三维虚拟

7、仿真软件，对机器人逆运动学解以及多解优化后的结果进行仿真研究。本文通过对不满足PIEPER结构机器人逆运动学解、机器人逆解的多解优化和关节角度空间插值等方面进行相关研究，得出一个适用于机器人划线的算法，并用MATLAB的I吉林大学硕士学位论文机器人工具箱对上述问题进行验证。最后，本文利用CATIA建立各个连杆几何模型，应用VC++的MFC模块和OpenGL功能开发了机器人三维仿真软件，成功实现了对机器人逆运动学、轨迹规划等问题的仿真