机械臂的轨迹规划

机械臂运动的轨迹规划摘要空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成的空间机械系统。随着科技的发展，特别是航空飞机、机器人等的诞生得到了广泛的应用，空间机械臂作为在轨迹的支持、服务等以备受人们的关注。本文将以空间机械臂为研究对象，针对空间机械臂的直线运动、关节的规划、空间直线以及弧线的轨迹规划几个面进行研究，对机械臂运动和工作空间进行了分析，同时对机械臂的轨迹规划进行了验证，利用MATLAB软件对机械臂的轨迹进行仿真，验证算法的正确性和可行性，同时此路径规划法可以提高机械臂的作业效率，为机械臂操作提高理论指导，为机器人更复杂的运动仿真与路径规划打下基础。本文一共分为四章：第一章，首先总结了机械臂运动控制与轨迹规划问题的研究现状及研究法，归纳了各种轨迹规划的算法及其优化法，阐述了机械臂的研究背景和主要容。第二章，对机械臂的空间运动进行分析研究，采用抽样求解数值法—蒙特卡洛法，进行机械臂工作空间求解，同时在MATLAB中进行仿真，直观展示机械臂工作围，为下一章的轨迹规划提供理论基础；同时通过D-H参数法对机械臂的正、逆运动分析求解，分析两者的区别和联系。第三章，主要针对轨迹规划的一般性问题进行分析，利用笛卡尔空间的轨迹规划法对机械臂进行轨迹规划，同时利用MATLAB对空间直线和空间圆弧进行轨迹规划，通过仿真验证算法的正确性和可行性。第四章，总结全文，分析本文应用到机械臂中的控制算法，通过MATLAB结果可以得出本文所建立的算确性，能够对机械臂运动提供有效的路径，而且改进了其他应用于空间机械臂的路径规划问题。【关键词】运动分析工作空间算法研究轨迹规划ABSTRACTSpacemanipulatorisamachine,electricity,heat,chargedwithhighintegrationofspacemechanicalsystemintegration.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,especiallythebirthofaviationaircraft,arobothasbeenwidelyused,thetrajectoryofspacemanipulatorasthesupportandservicestopeople'sattention.Thisarticlewillspacemanipulatorastheresearchobject,accordingtothelinearmotionofthespacemanipulator,jointplanning,spaceofthestraightlineandcurve,thetrajectoryplanningofseveralaspectsofmechanicalarmmovementandworkingspaceareanalyzed,andthetrajectoryplanningofmanipulatorisverified,thetrajectoryofmanipulatoristomakeuseofMATLABsoftwaresimulation,verifythecorrectnessandfeasibilityofthealgorithm,atthesametimethispathplanningmethodcanimprovetheefficiencyofmechanicalarm,improvethetheoreticalguidanceformechanicalarmoperation,simulationandpathplanningforrobotmorecomplicatedmovement.Thisarticleisdividedintofourchaptersaltogether:Thefirstchapter,firstsummarizesthemechanicalarmmotioncontrolandpathplanningproblemresearchstatusandresearchmethods,summarizesthevarietyoftrajectoryplanningalgorithmandthemethodofoptimization,andexpoundstheresearchbackgroundandmaincontentofmechanicalarm.Thesecondchapter,thepaperstudiedthespacemotionofmechanicalarm,thenumericalmethod,montecarlomethodarededucedwiththemethodofsampling,theworkspaceformechanicalarmis,atthesametimethesimulationinMATLAB,intuitivedisplaymechanicalarmworkscope,providingtheoreticalbasisforthenextchapteroftrajectoryplanning.Atthesametimethroughd-hmethodofpositiveandinversekinematicanalysisofthemechanicalarm,analyzethedifferenceandcontact.Thethirdchapter,mainlyaimsatthegeneralproblemoftrajectoryplanningisanalyzed,usingcartesianspacetrajectoryplanningmethodfortrajectoryplanning,mechanicalarmatthesametime,MATLABisusedtoanalysethespatialstraightlineandarctrajectoryplanning,throughthesimulationverifythecorrectnessandfeasibilityofthealgorithm.Thefourthchapter,summarizesthefulltext,analysisofthecontrolalgorithmisappliedtothemechanicalarminthispaper,throughtheMATLABresultscanbeconcludedthatthecorrectnessofalgorithm,canprovideeffectivepathofmechanicalarmmovement,andimprovedtheotherusedinspacemanipulatorpathplanningproblem.[keywords]motionanalysis,workspace,trajectoryplanning,algorithmresearch目录摘要...........................................................-1-ABSTRACT........................................................-2-第一章绪论.....................................................-6-第一节研究背景及意义.......................................-6-第二节国外发展现状.........................................-7-一、国现状...............................................-7-二、国外现状.............................................-7-第二章机械臂的运动分析.........................................-9-第一节机械臂的正运动学分析.................................-9-第二节机械臂的逆运动学求解................................-11-第三章五轴机械臂轨迹规划与仿真................................-12-第一节轨迹规划一般问题....................................-12-第二节关节空间的轨迹规划..................................-13-一、三次多项式插值法....................................-13-二、五次多项式插值......................................-16-第三节笛卡尔空间的轨迹规划................................-18-一、空间直线轨迹规划....................................-19-二、空间圆弧的轨迹规划..................................-22-三、一般空间轨迹规划....................................-26-第四章总结与展望..............................................-31-参考文献.......................................................-32-第一章绪论第一节研究背景及意义随着宇宙空间的开发，70年代美国提出了在宇宙空间利用机器人系统的概念，并且在航天飞机上实施。当初的空间机器人是由航天飞机舱的宇航员通过电视画面操纵的。随着空间技术的进一步发展使得未来空间操作任务急剧增加，空间站的建立、维修，卫星的回收、释放等工作会越来越多。如果所有这些工作都依靠宇航员来完成，其成本将十分高昂，也是十分危险的，因为恶劣的太空环境会给宇航员的空间作业带来巨大的威胁。宇航员的舱外作业需要庞大而复杂的环境控制系统、生命保障系统、物质供给系统、救生系统等的支持，这些系统不但具有很高的技术难度，而且成本巨大。用空间机器人代替宇航员进行太空作业不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中工作时可能受到的伤害，还可以降低成本，提高空间探索的效益。空间机械臂是空间机器人的一种，已被考虑在未来的空间活动中承担大型空间站的在轨安装及对失效飞行器的的捕捉与维修，土壤和岩的取样等；并期望其在无人状态下承担未来空间实验室或工厂的日常工作。根据空间作业的需要，空间机器人上一般都安装了一个或多个模仿人手臂的多自由度机器臂。随着我国国民经济与国防工业技术的迅速发展，对航天器的需求量日益增加，对其能力的要求日臻提高。特别是空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间机械臂技术的需求越来越迫切，而且对其工作能力和性能要求越来越高，对其安全性、寿命等面也提出了越来越高的要求。此外，受国外在高技术领域的技术限制与封锁，使得我们必须坚持自力更生、独立自主的高技术研发道路，坚持自主创新的思想，加速并加强空间机械臂技术的研发工作[1]。将机器人用于空间服务，一项关键技术就是路径规划。路径规划研究是机器人研究领域中的一个重要分支,是机器人导航中最重要的任务之一。对已知静态环境中机器人路径规划的研究已经进行了将近40年，路径规划问题的研究有很大的价值。多年的研究工作在取得进展的同时，愈加证明了路径规划是一个复杂的难题。路径规划算法的计算量取决于任务、环境的复杂性以及对规划路径质量的要求，一个好的路径规划算法应该兼顾对规划速度和路径质量的期望。随着研究的深入，各种新的路径规划法层出不穷，使路径规划研究一直活跃在机器人学领域。目前国对空间机械臂研究还处于起步