基于运动学分析的挖掘机器人轨迹规划新方法_任志贵.pdf

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1、第１０卷第２期中国工程机械学报Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．２２０１２年６月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＭＡＣＨＩＮＥＲＹＪｕｎ．２０１２基于运动学分析的挖掘机器人轨迹规划新方法任志贵，陈进，贺康生，张波（重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００３０）摘要：基于Ｄ－Ｈ位移矩阵法、工作装置的变量空间模型和三角函数关系，对液压挖掘机工作装置的运动学模型进行了深入的分析研究，推导出各变量空间相互转换的通用表达式．对传统的挖掘机器人轨迹规划方法进行分析，研究液压挖掘机实际作业的特点和需要，提出了模糊速度的概念

2、．进一步提出一种基于控制信号实时生成的挖掘机器人轨迹规划的模糊速度法．该方法完全避免了传统方法中未知的负载和预定的运动速度之间的矛盾，从根本上保证工作装置能够以合适的速度，精确的跟踪预定轨迹．关键词：运动学；轨迹规划；模糊速度法；挖掘机器人中图分类号：ＴＨ１２２文献标志码：Ａ文章编号：１６７２－５５８１（２０１２）０２－０１５０－０６ＮｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇｏｎｒｏｂｏｔｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓＲＥＮＺｈｉ－ｇｕｉ，ＣＨＥＮＪｉｎ

3、，ＨＥＫａｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＢｏ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＤ－Ｈｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍａｔｒｉｘｍｅｔｈｏｄ，ｖａｒｉａｂｌｅｓｐａｃｅｍｏｄｅｌａｎｄｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒｓｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｃｃｏ

4、ｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｇｅｎｅｒｉｃｅｘｐｒｅｓ－ｓｉｏｎｉｓｄｅｄｕｃｅｄｆｏｒｖａｒｉａｂｌｅｓｐａｃｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｒｏｂｏｔｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒｓ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｄｅｍａｎｄｓｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒｓａｒｅｓｐｅｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｕｒ－ｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｄ，ａｆｕｚｚｙｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ

5、ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓ．Ｓｏｆａｒ，ｔｈｅｃｏｎｔｒａ－ｄｉｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｕｎｋｎｏｗｎｌｏａｄｉｎｇａｎｄｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙａｍｏｎｇｓｔｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｖｏｉｄｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈｇｕａｒａｎｔｅｅｓｔｈａｔｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｔｒａｃｋｉｎｇｉｎｔｅｎｄｅｄｔｒａｊ－ｅｃｔｏｒｙａｃｃｕｒａｔｅｌｙｂｙａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｓｐｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒ

6、ｄｓ：ｋｉｎｅｍａｔｉｃ；ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇ；ｆｕｚｚｙｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅｔｈｏｄ；ｒｏｂｏｔｉｃｅｘｃａｖａｔｏｒ国内外早期对挖掘机器人轨迹规划的大量研究中，多数学者的规划策略为：从起始点开始，保持切削［１］角不变，直到该切削角变为盲角时调整切削角消盲．在近几年的研究中，有学者提出了新的轨迹规划策略．出于对油缸运行平稳性和高效节能的考虑，浙江大学学者在传统的轨迹规划器中加入了轨迹优化模块，该模块可以寻找出每一个轨迹点的最优位姿角，从而改善了由于过多的油缸往复运动所伴随的剧烈震［１－２］动并且有效解决

7、了盲角问题．然而，由于挖掘机器人实际工作载荷的不确定性、液压系统的高度非线性和复合动作时功率供给的非独立性等因素，其轨迹自动跟踪的效果仍然不够理想．有鉴于此，本文在运动学分析的基础上提出了模糊速度的概念，从根本上改变了传统挖掘机器人轨迹规划的策略，得到了一种挖掘机器人轨迹规划新方法．１液压挖掘机运动学分析液压挖掘机变量空间模型定义如下：驱动机构空间由回转马达转角λ０，动臂油缸长度λ１，斗杆油缸长度作者简介：任志贵（１９８５－），男，博士生．Ｅ－ｍａｉｌ：Ｒｅｎ＿４１１＠１６３．ｃｏｍ第２期任志贵，等：基于运动学分析的挖掘

8、机器人轨迹规划新方法１５１Ｔ；关节空间由底座到回转平台、回转平台到动臂、动臂到斗λ２和铲斗油缸长度λ３组成，表示为［λ０，λ１，λ２，λ３］杆、斗杆到铲斗的转角组成，表示为：［θ，θ，θ，θ］Ｔ；位姿空间由铲斗尖在整机坐标系中的位置［ｘ，ｙ，ｚ］以及０１２３铲斗的位姿角ζ（停机面到铲斗铰点与铲斗齿尖连线的转角）组成，