机械臂避障运动规划及轨迹跟踪控制研究.pdfVIP

摘要

随着现代科学的进步与社会经济的发展，机械臂在人类生活的各个领域承担着非

常重要的角色。目前，机械臂的应用场所在不断变化，作业任务更是多元化发展，要求

机械臂具有更加智能化和精密化的作业性能。所以，研究工业机械臂避障运动规划和

轨迹跟踪控制问题显得愈发重要。因此，本文在建立机械臂运动学和动力学模型的基

础上进行研究，主要内容从以下三方面展开。

(1)为了提高工业机械臂在多障碍物等复杂场景下避障运动规划的成功率和效率，

本文利用了包围盒技术建立了机械臂和空间障碍物的数学模型，并提出基于启发式概

率融合人工势场法的改进型RRT*算法(P-artificialpotentialfield-rrt*，PAPF-RRT*)。首

先，在采样上引入概率目标偏向与随机采样点优选策略，对采样点进行位置优选约束，

增强采样导向性和质量；然后，为改变传统新节点扩展方向和特殊环境下局部最优问

题，融合人工势场法的目标引力与障碍物斥力和自适应步长，使算法在APF产生的合

力范围下实时引导新节点扩展方向和步长大小，降低过度的探索和碰撞区域的扩展；

最后，对冗余节点进行删除，并采用三次B样条插值优化，提高机械臂轨迹的柔顺性。

仿真结果表明，本文所提算法相比传统RRT*算法在平均路径有哪些信誉好的足球投注网站时间上提高56.75%，

路径长度缩短17.74%；导入机械臂模型后可视化仿真结果证明，所提算法可以使机械

臂成功避障且快速平稳运行到目标点。

(2)机械臂进行避障运动规划时，将笛卡尔空间路径点映射到关节空间，运用3次

B样条进行插值构造避障轨迹时，没有考虑在运动学约束条件下各关节轨迹的运行性

能，同时构造出的轨迹其角加速度、角加加速度曲线变化有突变。因此，运用5次B

样条进行插值构造轨迹，设置以时间-冲击为目标函数，利用改进的鸡群算法(I-CSO)对

该多目标优化问题进行求解。首先，针对传统鸡群算法存在求解精度偏低，局部求解能

力较弱等问题，本文对公鸡、母鸡、小鸡位置迭代公式进行改进，使之提高了算法的寻

优能力；然后对解集进行去重操作，增强种群多样性，提高了种群的利用率。最后，利

用改进后的鸡群算法(I-CSO)对机械臂进行时间-冲击多目标寻优，利用罚函数对约束体

条件进行处理；仿真结果表明改进后的鸡群算法相比传统鸡群算法收敛速度快，且适

应度值更小，优化出来的轨迹运行时间小于算法改进之前，且各关节的冲击都在其约

束范围内，得到了符合实际要求下的最优轨迹。

(3)在动力学模型基础上针对建模不准确且存在外界不确定干扰时，工业机械臂轨

迹跟踪性能进行研究。设计了一种基于动力学模型整体逼近的神经网络非奇异终端滑

模轨迹跟踪方法。首先，采用可以解决有限时间收敛和非奇异性问题的滑模面，结合特

殊幂函数构造新型自适应趋近律，提高整个系统的运动状态在趋近过程中的收敛速度，

并降低控制器输出力矩的抖振；然后，利用RBF自适应神经网络对系统不确定模型以

及外界干扰进行整体逼近，通过自适应律实时调整达到模型重塑，从而减小未知干扰

对系统的影响。最后，在MATLAB/Simulink中展开仿真研究，结果表明本文所设计的

控制算法能有效提高系统的控制精度和趋近速度，且具有良好的鲁棒性，且抖振现象

被削弱。

关键词：工业机械臂；渐进最优快速扩展随机树；运动规划；鸡群算法；滑模控制

论文类型：应用研究

ABSTRACT

Withtheadvancementofsocialeconomiesandmodernscience,roboticarmsplayavery

importantroleinvariousfieldsofhumanlife.Atpresent,theapplicationofroboticarmsis

constantlychanging,andthedevelopmentofdiversetasksrequiresroboticarmstohavemore

intelligentandpreciseoperatingperformance.Thus,itiscrucialtodoresearchontrajectory

trackingcontrolandobstacleavoidancemotionplanni