机构运动仿真关键技术研究及实现.pdfVIP

摘要

随着智能化和数字化技术的发展，机械机构系统朝向高精度、高效率和高可

靠性的方向不断发展，在工业生产中得到广泛应用。其中机器人机构已经广泛应

用于焊接、搬运、包装、码垛等工作，提高了生产的安全性和可靠性，成为机构

学研究中最重要的课题之一。其中运动规划是工业机器人研究领域的关键技术，

优秀的运动规划算法能够避免工业机器人与空间中障碍物发生碰撞，降低工业机

器人运行期间的运动负荷。同时机器人上有大量传输电力和信号的线缆，需要对

线缆在机器人执行工作任务时的运动情况进行分析，对这一刚柔耦合系统进行协

同仿真。本文对机器人运动规划算法和多分支线缆的建模和仿真算法进行了研究，

并在此基础上建立了工业机器人运动规划原型与验证系统。

首先，介绍机器人运动学基本理论，对工业机器人进行运动学建模。通过

DH参数法建立了工业机器人模型，并推导出工业机器人的正运动学方程，建立

了从构型空间到工作空间的映射。对工业机器人的工作空间和构型空间的特性进

行讨论，为机器人构型空间的运动规划建立基础。

然后，针对RRT算法及其一系列衍生算法的缺点进行优化。利用机器人逆运

动学方法，使扩展树在随机有哪些信誉好的足球投注网站过程中朝向目标方向扩展。为了避免算法被长期

困在局部最优陷阱，提出一种扩展点选取算法，加强扩展树可以跳出陷阱的能力。

对规划得到的路径进行剪枝操作，使之更加适合工业机器人。通过二维和三维的

仿真实验，表明改进后的RRT算法收敛速度更快，同时生成的路径更加平直。

其次，对于机器人中的柔性线缆提出多分支线缆的物性建模方法和对应的仿

真求解算法。建立线缆物性模型，对多分支线缆的拓扑模型和物理模型进行表示。

研究了线缆模型的快速求解算法，通过引入罚函数将能量最小化问题的等式约束

转化为线缆势能，从而使用最优化方法对线缆状态进行快速求解。

最后，基于本文提出的机器人运动规划算法和线缆物性仿真算法，开发了算

法原型与验证系统。介绍了系统的开发环境、系统架构、实现方法等，并通过两

个实例对系统功能和算法效果进行了验证。仿真实验表明，改进的RRT算法不仅

有更快的收敛速度，而且生成的最终路径趋向最优，有更好的有效性和实用性。

关键词：工业机器人，运动规划，机构运动，柔性线缆

ABSTRACT

Withthedevelopmentofintelligentanddigitaltechnology,mechanismsystemis

developingrapidlytowardsthegoalofhighprecision,highefficiencyandhigh

reliability,andithasbeenusedwidelyinmanufacture.Robotmechanismhasbeenused

widelyinmanyworkssuchas,welding,handling,packagingandpalletizing,which

improvessecurityandreliability.Ithasbeenoneofthemostvaluablesubjectsin

mechanism.Motionplanningisthekeypointofthat.Goodmotionplanningalgorithm

cannotonlyavoidcollisionbetweenrobotsandobstacles,butalsoreducetheloadof

robotsandimproveitslife.Forthecablesconnectedtotherobot,itisnecessaryto

analyzeitsmotionstateduringthemission,andmakesimulationforthisrigid-flexible

system.Thesisstudiesmotionplanningalgorithm