基于遗传算法的装填机械臂轨迹多目标优化设计

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1、基于遗传算法的装填机械臂轨迹多目标优化设计＊王鑫１，韩国柱２，吴松２（军械工程学院火炮工程系，河北石家庄０５０００３）摘要：本文通过５次多项式插值法，建立药筒装填机械臂在关节空间的轨迹数学模型，提出了基于时间、能耗和振动的３个优化设计目标，并结合遗传算法对轨迹模型进行优化。结果表明，优化后的轨迹保留了原有轨迹模型一阶、二阶导数连续的特点，更加符合装填机械臂对实际操作任务的需求。关键词：轨迹规划；多目标；遗传算法；优化中图分类号：ＴＪ３０文献标志码：ＡＭｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＲｏｂｏｔＰａｔｈＰｌａｎｎｉｎｇＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇ

2、ｏｒｉｔｈｍ１，ＨＡＮＧｕｏｚｈｕ２，ＺＨＥＮＧＸｉａｏｋｕｎ２ＷＡＮＧｘｉｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＨｅｂｅｉ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｓｓａｇｅｓｅｔｕｐａｍａｔｈｍｏｌｄｉｎｇｏｆｒｏｂｏｔｉｃａｒｍｉｎｊｏｉｎｔｓｐａｃｅｔｈｒｏｕｇｈｆｉｖｅｄｅｇｒｅｅｓｏｆｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｉｎｔｅｒｏｐｏ－ｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｒｅｅｄｅｓｉｇｎｏｂｊｅｃｔｓａｂｏｕｔｔｉｍｅ、ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐ

3、ａｔｉｏｎａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｕｓｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃ－ａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｍａｔｈｍｏｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐａｔｈｒｅｓｅｒｖｅｄｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｏｆｆｉｒｓｔａｎｄｓｅｃ－ｏｎｄｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，ａｎｄａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｒｅａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇｄｕｔｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｉｃａｒｍｍｕｃｈｍｏｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰａｔｈＰｌａｎｎｉｎｇ，Ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｓ，Ｇｅｎｅ

4、ｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ大口径自行压制火炮作为陆军地面的主要火力优化问题进行求解。压制力量和支援力量，其自动化水平、战斗机动性和加权求和法简单直观，但它运行１次只能得到火力机动性越来越引起各军事强国的关注。爆发射１个解，且解的值依赖于权重的选取。多目标遗传速和持续射速是火炮的重要战技指标，而装填自动算法能够对多个目标同时优化，在它们之间进行协化是提高这项指标的有效途径之一。弹药自动装填调，算法运行一次可以并行得到问题的一组Ｐａｒｅｔｏ技术是大口径自行火炮武器系统的关键技术之一，最优解。决策者可以依据问题的当前需要，从中挑［１］是世界各国

5、竞相研制和发展的重点。选出满意的解作为问题的最终解。因此，多目标遗目前国外先进的自行火炮有俄罗斯１９８８年装传算法更适合于求解多目标优化问题。备的２Ｃ１９（西方称２Ｓ１９）式１５２ｍｍ自行榴弹炮，自１问题描述动装填弹丸，发射药由半自动装填机装填，最大发射［２］速度达８发／ｍｉｎ；德国１９９６年开始列装的１．１药筒装填任务要求及作业进程分析ＰＺＨ２０００自行火炮，实现１０发／ｍｉｎ或２０发／３ｍｉｎ在对机械臂进行轨迹规划之前，首先确定其操的理想发射速率，但为纯手工装填发射；瑞典２００８作顺序、动作步骤及作业流程。装填任务中的人工开始装备的“弓箭手”ＦＨ—７７ＢＷ式

6、１５５ｍｍ自行操作动作流程如图１所示。榴弹炮，能进行３发／１５ｓ的急促射，２．５ｍｉｎ内发射完２０发弹；美军２００９年开始装备的新型Ｍ１０９Ａ６—ＰＩＭ自行榴弹炮，采用了为“未来战斗系统”非直瞄火炮ＮＬＯＳ—Ｃ研制的自动装弹机，最高［３］射速超过１２发／ｍｉｎ。针对某型自行火炮，本文研究设计了一种药筒装填机械臂，可实现该型自行火炮弹药装填的自动化，提高了自行火炮弹药装填效率。图１装填任务中的人工操作动作流程近年来，一些学者已经开始运用遗传算法求解１．２机械臂结构描述［４－６］路径规划问题，并取得了一定的成果；然而，多数根据机械臂各杆件连接关系，建立机械臂坐标文献

7、为了简化问题，仅对机器人路径规划问题的单系，如图２所示。个目标进行优化，或采用加权求和法把问题的多个性能指标组合成一个标量函数，使之转化为单目标·１４·《新技术新工艺》·数字技术与机械加工２０１１年第１２期图２机械臂坐标系２轨迹规划方法比较机器人轨迹规划泛指机器人在其工作空间内，图３关键点的确定在路径约束下，按照一定的速度、加速度输出机械手同时由托药盘圆的弧面确定的轴线段中点Ｚ坐标末端执行器在各个离散时间段的位姿序列，并完成确定ＰＡ的Ｚ向坐标，关键点ＰＡ在坐标系Ｆ１下的预定任务的过程。轨迹规划一般可分为关节空间轨坐标为ＰＡ（８３４．１６３，－２０．６２４，－５５

8、１．８３８）。迹规划和笛