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多关节检修机械臂避障路径规划研究

作　者: 包卫卫
导　师: 陆军
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 检修机械臂避障路径规划包围盒两阶段法双向搜索
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 153次
引　用: 2次
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内容摘要

避障路径规划问题是在具有障碍物的环境中,按照某个评价标准(如最短路径长度、最短行进时间、最小能量消耗等),规划一条从起始点位置到达目标点位置最优(或次优)的无碰(避障)路径。机械臂的运动学是避障路径规划研究的基础,本文首先建立了多关节检修机械臂的运动学模型。运动学逆问题的求解较为复杂,因为它实质上是解一个非线性方程的问题,目前尚没有通用的解法。根据该机械臂结构的冗余度低,工作环境受限的实际情况,给出了一种简单易行的几何图解法,并在VC++仿真平台下对其运动学进行了仿真验证。在机械臂进行检修工作时,如何判断和避免机械臂碰撞是实现自动作业的前提。针对该检修机械臂的具体结构及特殊的工作环境,提出了一种基于包围盒和等效空间圆柱体相结合的网络包围法,将空间局部域进行有效分解,通过简单有效的几何等效,把机械臂的碰撞检测问题转化为空间解析几何问题,大大简化了问题的求解。机器人无碰撞路径规划问题至今未能很好解决,特别是对三维空间的无碰撞路径规划困难更大。由于随机路标法具有易实现、通用性好的特点,特别是在解决多自由度机器人路径规划上所表现的有效性,近几年引起了研究人员的重视。本文采用一般随机路标法得到一个表示机械臂位形空间结构信息的路标,提前检验各个路标之间的连通关系得到一个路标连通图,当实际路径规划时,分别找到距出发点和目标点最近的两个路标点,然后利用启发式搜索方法搜索路标连通图得到连接两个路标的路径,从而得到需要的路径。在综合分析路径规划研究的基础上,为了提高路径规划的实时性,采用基于贪婪碰撞检测的启发式双向路径搜索对机械臂运动路径进行实时规划。其具有以下特点:不需要预计算路标图,这样节省了大量的预计算时间;进行双向采样,逐步增加以输入查询位形为根的两棵路标树来建立路标图,两棵树的交替采样能保持两棵树的平衡;采用贪婪碰撞检测,延迟碰撞检测操作直到完全需要检测,可以节省规划时间。最后针对具体的路径规划问题分别进行了仿真分析,结果表明运用的规划方法可以很好解决机械臂在工作过程中的平稳性,以及控制时的实时性问题。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题研究的背景和意义  11-13
  1.2 机器人避障路径规划概述  13-17
    1.2.1 避障路径规划的定义  13-14
    1.2.2 避障路径规划问题的分类  14
    1.2.3 避障路径规划问题的环节及特点  14-15
    1.2.4 避障路径规划的方法  15-17
  1.3 本论文所研究的目标和内容  17-19
    1.3.1 本论文研究的目标  17
    1.3.2 本论文主要内容  17-19
第2章狭窄空间机械臂运动学建模  19-30
  2.1 机械臂的D-H描述  19-23
  2.2 检修机械臂正运动学方程的建立  23-24
  2.3 检修机械臂逆运动学方程的建立  24-28
  2.4 检修机械臂运动学求解仿真  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章狭窄空间机械臂的动态碰撞检测  30-41
  3.1 工作环境及工作过程介绍  30-31
  3.2 动态碰撞检测的基本原理  31-33
  3.3 动态碰撞检测的具体实现  33-38
    3.3.1 检修机械臂与环境内壁的碰撞检测  34-35
    3.3.2 关节间、关节与检修工具间的碰撞  35-38
  3.4 动态碰撞检测仿真及分析  38-39
  3.5 本章小结  39-41
第4章基于两阶段法的避障路径规划  41-65
  4.1 学习阶段  42-49
  4.2 查询阶段  49-51
  4.3 路径平滑技术  51-54
  4.4 软件设计及实现  54-64
    4.4.1 软件设计流程  54-56
    4.4.2 仿真结果及分析  56-64
  4.5 本章小结  64-65
第5章基于贪婪碰撞检测的启发式双向路径搜索  65-77
  5.1 桥接策略  66-68
  5.2 路径安全性检验  68-69
  5.3 桥接测试  69-70
  5.4 软件设计及实现  70-75
    5.4.1 软件设计流程  70-72
    5.4.2 仿真结果及分析  72-75
  5.5 两种路径规划方法性能比较  75
  5.6 本章小结  75-77
第6章结论  77-79
参考文献  79-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86

多关节检修机械臂避障路径规划研究

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