工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的理论与实验研究

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1、摘要机器人时间最优轨迹规划与轨迹控制问题是指以时间最短作为性能指标来优化机器人的运动轨迹，使机器人手部在两点之间或沿着规定轨迹运动的时间最短，进行这项研究的目的和实际意义在于提高机器人的工作效率。)/在本文中，作者首先总结了国内外有关机器人时间最优轨迹规划与轨迹控制方面的研究成果，在此基础上，采用二阶多项式加三角余弦形式的样条函数重新构造机器人的关节轨迹，创造性地提出了一种新的且有效的机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制方法，并成功地应用由Nelde:和Mead两人创立的柔性多面体最优搜索算法(复合形法)确定出了机器人运动的最优时间间隔序列，使规划出的

2、关节轨迹在非线性的运动学约束条件下，不仅可以保证关节的位置、速度、加速度连续，而且还能保证关节运动的二阶加速度(jerk)连续，并且在这些运动学约束条件下可使机器人手部沿给定轨迹运动的时间最短。计算机动态图形仿真的结果以及在国防科技大学军用智能机器人实验室所做的机器人实验都已证实，该方法是切实可行和有效的。本文包括以下一些内容:第一章主要介绍一般工业机器人的系统结构，国内外关于机器人时间最优轨迹规划与轨迹控制的研究成果以及本课题的研究目的与意义。第二章重点介绍用二阶多项式加三角余弦表示的机器人关节轨迹的构造方法以及关节约束方程的推导。第三章详细介

3、绍由Nelder和Mead两人创立的柔性多面体最优搜索算法(复合形法)的基本原理以及利用该搜索算法求解机器人运动的最优时间间隔序列的程序结构与编程方法。第四章主要介绍计算机仿真。在这一章中，我们以PUAM560机器人的点位运动为例，利用前面建立的最优化方法对其进行时间最优轨迹规划，并利用计算机动态图形仿真技术对轨迹规划的结果进行了验证，然后采用MATLAB语言编程绘出了机器人各关节运动的位移曲线、速度曲线、加速度曲线以及二阶加速度曲线。第五章全面分析了国防科技大学军用智能机器人实验室的PUAL4560机器人的硬件和软件结构，并以之为研究对象拟定可行

4、的实验方案，进行了机器人实验，从实验角度论证了本文所提出的方法的正确性。了关键词:工业机器人:时间最优轨迹规划;轨迹控制;复合形最优化算法;动态图形仿真;机器人实验;二阶力口速度(jerk)连续火AbstractTime-optimaltrajectoryplanningandcontrolofrobotisthatoptimizethepathofrobotaccordingtoperformanceguidelineofminimumtimeofrobot,whichcanmakethemotiontimeofrobothandminimumb

5、etweentwopointsoralongthespecialpath.Thepurposeandpracticalmeaningofthisresearchlieinenhancetheworkeficiencyofrobot.Inthispaper,authorfirstlysummarizetheworksofinsideandoutsideabouttime-optimaltrajectoryplanningandcontrolofrobot.Onthisbasis,anewinterpolationofquadraticpolynomi

6、alpluscosinefunctionisadoptedtoreconstructjointtrajectory,inresult,anewandeffectivemethodoftime-optimaltrajectoryplanningandcontrolisputforwardcreatively.Intheend,authorapplytheoptimalalgorithmofflexiblepolyhedronwhichiscreatedbyNelderandMeadtogetoptimalanswer.Underthenonlinea

7、rmotionconstraints,thisanswercanensurenotonlyvelocityandaccelerationbutalsojerkofrobotcontinuous.Moreover,itcanreachtheoptimalmotiontimewhenrobothandmovealongthespecialpath.Thecomputerdynamicgraphsimulationexperimentandrobotexperimentwhichisdoneatmilitaryintelligencerobotlabor

8、atoryofnationaldefensescienceuniversityallprovethatthismethod