《工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃跟軌跡規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃跟軌跡規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化（8頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、東南大學(xué)碩士學(xué)位論文工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化姓名：胡佳申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：汪崢20090401Abstract工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化摘要工業(yè)機(jī)器人是在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛的機(jī)械設(shè)備，在應(yīng)用中主要應(yīng)該考慮機(jī)器人 的控制問題，其目的就是使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)遵循期望的路線并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成整個(gè) 運(yùn)動(dòng)過程。工業(yè)機(jī)器人的控制又分為離線的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和在線的伺服跟蹤，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃又 分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩部分。首先研究路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的仿真方法和技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真是研究復(fù)雜控制系 統(tǒng)的有效手段之一，由于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜性，建立仿真模型

2、是 一個(gè)十分困難的過程。本文采用MATLAB編程工具以及Robotics Toolbox工具箱建立 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。描述了路徑規(guī)劃的具體方法步驟以 及仿真結(jié)果，對(duì)軌跡規(guī)劃進(jìn)行了深入的研究，結(jié)合實(shí)際分析了時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的特 點(diǎn)，采用參數(shù)化表示的方法降低動(dòng)力學(xué)模型的維數(shù)，使得仿真易于進(jìn)行，采用動(dòng)態(tài)規(guī) 劃法求取最優(yōu)時(shí)間，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，證明了軌跡規(guī)劃方法的有效性。其次研究路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的關(guān)系，提出了路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃綜合優(yōu)化的方 法來同時(shí)優(yōu)化這兩個(gè)互相耦合的過程。在路徑規(guī)劃之后，采用B樣條插值的方法對(duì)離 散路徑進(jìn)行擬合得到光滑路徑，為了對(duì)得到的路徑的光滑程度

3、有一個(gè)量化的表示，提 出了光滑度的-種計(jì)算方法。采用了模糊控制器來控制路徑的修正幅度，使得路徑更 加光滑，進(jìn)而求得機(jī)器人沿該路徑運(yùn)行的最小時(shí)間。在對(duì)機(jī)器人路徑規(guī)劃和時(shí)間最優(yōu) 軌跡規(guī)劃進(jìn)行綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)上，又提出了對(duì)路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的兩個(gè)性能指標(biāo)時(shí) 間和能量進(jìn)行三目標(biāo)綜合優(yōu)化的優(yōu)化過程模糊控制方法，并采用遺傳算法優(yōu)化了模糊 控制器的參數(shù)選取了算例對(duì)該方法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性。最后，在MATLAB環(huán)境下開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人多目標(biāo)優(yōu)化算法的演示程序，實(shí)現(xiàn)了 上述算法.關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；路徑規(guī)劃；軌跡規(guī)劃：模糊控制器；多目標(biāo)優(yōu)化Multi-objective Optimization

4、 of Path Planningand Trajectory Planning for ManipulatorsAbstractManipulators are a kind of mechanism facilities that are widely applied in industry. The problem of manipulators control is mainly considered in the application, whose objective is to make the manipulators move along the expectation pa

5、th and within the setup time. The control of manipulators is divided into the off-line movement planning (including path planning and trajectory planning) and the on-line servo tracking,First, the method and technology about simulation of path planning and trajectory planning is studied. The process

6、 of building simulation model of a manipulator is very difficult because of the complexity of its kinematics and dynamics The kinematics and the dynamics models of manipulators are built by MATLAB and Robotics Toolbox. Specific processes of path planning and simulation results are described, traject

7、ory planning is studied thoroughly, and the characteristic of time optimal trajectory planning is analyzed combined with practice. The dimension of the dynamic model is reduced by parametric method, which simplifies the simulation. The optimal time is calculated by dynamic programming, and the resul

8、ts of simulation verify the correctness of trajectory planningSecond, the relationship between path planning and trajectory planning is studied. A synthesis optimization method is raised to optimize the two processes, which are coupled with each other. The discrete path is fitted by B-spline interpo

9、lation to obtain a smooth path. A method of computing the smoothness of the path is proposed The modification of the path is controlled by a fuzzy controller to make the path smoother and the motion time smaller. We also propose a fuzzy control method for the controlling of the concurrent optimizati

10、on processes for a three-objective optimization problem with the one objective of path planning and two objectives of trajectory planning (including time and energy minimization). The parameters of the fuzzy controllers are optimized by genetic algorithm. An example is selected to simulate the algor

11、ithm and the correctness is verified by the resultsFinally, the program that displays the multi-objective optimization problem is developed by MATLAB to implement the algorithm aboveKey words: Manipulators; Path Planning; Trajectory Planning; Fuzzy Controller; Multi-objective Optimization東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性

12、聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。研究生簽名：刪 日期：叫東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被夜閱和借閱

13、，可 以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布（包括刊登）授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。研究生簽名： 圳彳導(dǎo)師簽名:11日 期：鋼g第一章緒論第一章緒論1.1研究背景1.1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介自1962年美國(guó)制造出第一臺(tái)實(shí)用的示教型工業(yè)機(jī)器人以來，國(guó)際上對(duì)工業(yè)機(jī)器人 的開發(fā)、研制和應(yīng)用已近60年的歷程。目前，以日、美、德、法、韓等為代表的許多 國(guó)家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，所生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人己成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球 得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)、切割、噴漆、噴涂、檢測(cè)、 碼垛、研磨、拋光、上下料、激光加工等復(fù)雜或單調(diào)的作業(yè)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造 業(yè)應(yīng)用

14、范圍越來越廣，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也 越來越強(qiáng)，正在向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義，機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程 能力的多功能機(jī)械手.這種機(jī)械豐具有幾個(gè)軸.能夠借助可編稈序操作來處理各種材 料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù).工業(yè)機(jī)器人則是其中一類機(jī)器人的總 稱。依據(jù)具體的應(yīng)用不同，工業(yè)機(jī)器人又可以分為不同類型，其中應(yīng)用比較廣泛的有 焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等。機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過程序的更改， 方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，來滿足生產(chǎn)要求的變化。由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各

15、組成部分的驅(qū)動(dòng)方式、 傳動(dòng)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)也有各種不同的類型。通常工業(yè)機(jī)器人由手部、手腕、手臂、機(jī) 身和行走機(jī)構(gòu)五部分組成，如圖1.1所示.工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于制造業(yè)等各個(gè)行業(yè)，在應(yīng)用過程中主要考慮對(duì)機(jī)器人進(jìn)行 控制，以使其沿著指定路徑運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)久以來，科研人員對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制進(jìn) 行了堅(jiān)持不懈的研究，形成了機(jī)器人學(xué)這樣一門綜合性學(xué)科。其研究領(lǐng)域廣，內(nèi)容多， 涉及機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、傳感、控制、信息交互、協(xié)調(diào)協(xié)作等方面氣具體來說，其研究 內(nèi)容主要包括一下幾個(gè)方面：(1) 感知系統(tǒng)；(2) 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)；(3) 運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃；(4) 多機(jī)器人協(xié)調(diào)與控制；(5) 應(yīng)用研究。其中，運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃主

16、要研究在給定了一個(gè)合理的機(jī)構(gòu)、為機(jī)器人配置了適當(dāng)?shù)?傳感器系統(tǒng)后，如何建立傳感系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系的問題。解決這個(gè)問題，將 使得機(jī)器人在環(huán)境中優(yōu)質(zhì)、高效、安全地按照任務(wù)要求開展工作.運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃是 本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。圖1.1工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成1.1.2工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃著重研究如何控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)器人沿規(guī)定的 路徑運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為點(diǎn)到點(diǎn)(poinHpoint)運(yùn)動(dòng)和路 徑跟蹤(trajectory tracking)運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)只關(guān)心特定位置的位置點(diǎn)，而路徑跟蹤運(yùn) 動(dòng)則關(guān)心整個(gè)運(yùn)動(dòng)路徑。軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)，希望機(jī)器人的末端

17、以特定的姿態(tài)沿給定的路徑運(yùn)動(dòng)。為了保證機(jī) 器人的末端處在給定的路徑上，需要計(jì)算出路徑上各點(diǎn)的位置，以及在各個(gè)位置點(diǎn)上 機(jī)器人所需要達(dá)到的姿態(tài).上述計(jì)算路徑上各點(diǎn)處的機(jī)器人位置與姿態(tài)的過程，稱為 機(jī)器人笛卡爾空間的路徑規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃出的各個(gè)路徑點(diǎn)處的機(jī)器人位置與姿態(tài)，利 用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求取機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置，通過控制各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人 的末端到達(dá)各個(gè)路徑點(diǎn)的期望位置。為了使機(jī)器人末端盡可能地接近期望軌跡.在進(jìn)行機(jī)器人笛卡爾宇間的路徑規(guī)劃 時(shí)，兩個(gè)路徑點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡可能小。此外，為了消除兩個(gè)路徑點(diǎn)之間的機(jī)器人末 端位姿的不確定性，通常對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)按照聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。具體而 言，就是在進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)，要使得各個(gè)關(guān)節(jié)具有相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。