服务机器人作业手臂运动规划的研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕卜学位论文摘要作为第三代机器人一一智能机器人的一种，移动式作业型智能服务机器人要求能够完成一定难度的作业。为达到实现较为复杂的作业要求，在设计上机器人手臂采用了冗余度机构。该服务机器人手臂类似于人的手臂，由三自由度肩关节、三自由度腕关节、一自由度肘关节组成。本文对机器人手臂的运动学和轨迹规划进行了理论研究。运动学分正、逆运动学两方面进行讨论，给出了正、逆运动学求解方程及Self-Motion运动解析解。逆运动学解包括六自由度解析逆运动学解和七自由度实时逆运动学解，其中在实时逆

2、运动学求解中运用了位姿分离方法，使复杂的逆运动学过程得到了简化。两种求逆解方法提高了手臂控制的灵活性。轨迹规划方法包括关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划。在关节空间内讨论了两点式PTP(点到点)和带中间点的PTP轨迹规划法，用高阶多项式插值法解决轨迹规划中多点约束的问题。在笛卡尔空间内给出了空间直线轨迹规划算法及空间圆弧轨迹规划算法，两种算法具有一定的通用性。通过使用Matlab软件，本文对运动学正、逆解和轨迹规划理论进行数值和图形仿真，并在理论的基础上，编写了各部分程序，并仿真验证了程序的正

3、确性，最后设计出了手臂运动控制软件，实现了对手臂的运动控制。本文还对无碰轨迹规划进行了理论上的研究，给出了机器人手臂与障碍物碰撞检测算法及双臂间的碰撞检测算法。关键词服务机器人;冗余度机构;运动学逆解;轨迹规划;碰撞检测哈尔滨丁业大学工学硕卜学位论文AbstractAsakindofthethirdgenerationintelligentrobot,theintelligentoperationservicemobilerobotcandoratherdifficultwork.Inorder

4、tocompletethecomplicatedoperation,the7-DOFredundantmechanismisappliedtoservicerobotarm,which,likehumanarm,consistsof3-DOFshoulderjoint,3-DOFwristjointand1-DOFelbowjoint.Inthebeginningofthisthesis,thekinematicsandtrajectoryplanningtheoryoftheservicero

5、botarmarestudied.Directkinematicsandinversekinematicsarediscussedinthekinematicstheoryseparately.Moreover,theirsolutionandtheself-motionanalyzedsolutionareoffered.Theinversekinematicssolutionincludesthe6-DOFanalyticinversekinematicssolutionandthe7-DO

6、Freal-timeinversekinematicssolution,whichisgainedbyresolvingpositionsandposturesofsphericalwrist.Inthiswaythecomplexinversekinematicsissimplified.Thetwowaysmakethecontrolofrobotarmmoreflexible.Thetrajectoryplanningiscompletedinbothjointspacecoordinat

7、eandCartesianspacecoordinate.Injointspacecoordinate,thepoint-to-point(PTY)trajectoryplanningofonlytwopoints(initialandfinal)andthatwithintermediatepointsareanalyzed.ThePTPtrajectoryinterpolationwithintermediatepointsuseshigherpolynomialtodealwiththep

8、roblemofintermediatepointsconstraints.InCartesianspacecoordinatetrajectory-planningmethodsofspatialarcmotionandspatiallinemotionaregiven,andtheyhaveversatility.Numericalsimulationandfiguresimulationofkinematicsandtrajectoryplanningtheoryarecompletedu