東南大學碩士學位論文工業(yè)機器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的多目標優(yōu)化姓名：胡佳申請學位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導教師：汪崢20090401Abstract工業(yè)機器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的多目標優(yōu)化摘要工業(yè)機器人是在工業(yè)上應用極為廣泛的機械設(shè)備，在應用中主要應該考慮機器人 的控制問題，其目的就是使機器人在運動時遵循期望的路線并在規(guī)定時間內(nèi)完成整個 運動過程。工業(yè)機器人的控制又分為離線的運動規(guī)劃和在線的伺服跟蹤，運動規(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)。計算機仿真是研究復雜控制系 統(tǒng)的有效手段之一，由于工業(yè)機器人運動學和動力學模型的復雜性，建立仿真模型是 一個十分困難的過程。本文采用MATLAB編程工具以及Robotics Toolbox工具箱建立 機器人的運動學和動力學模型，并對其進行仿真。描述了路徑規(guī)劃的具體方法步驟以 及仿真結(jié)果，對軌跡規(guī)劃進行了深入的研究，結(jié)合實際分析了時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的特 點，采用參數(shù)化表示的方法降低動力學模型的維數(shù)，使得仿真易于進行，采用動態(tài)規(guī) 劃法求取最優(yōu)時間，并對仿真結(jié)果進行了分析，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 法來同時優(yōu)化這兩個互相耦合的過程。在路徑規(guī)劃之后，采用B樣條插值的方法對離 散路徑進行擬合得到光滑路徑，為了對得到的路徑的光滑程度有一個量化的表示，提 出了光滑度的-種計算方法。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，進而求得機器人沿該路徑運行的最小時間。在對機器人路徑規(guī)劃和時間最優(yōu) 軌跡規(guī)劃進行綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)上，又提出了對路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的兩個性能指標時 間和能量進行三目標綜合優(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)選取了算例對該方法進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了方法的正確性。最后，在MATLAB環(huán)境下開發(fā)了工業(yè)機器人多目標優(yōu)化算法的演示程序，實現(xiàn)了 上述算法.關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；路徑規(guī)劃；軌跡規(guī)劃：模糊控制器；多目標優(yōu)化Multi-objective Optimization 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 path 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 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, trajectory 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 results 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 interpolation 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 optimization 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 algorithm 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東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進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或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻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：叫東南大學學位論文使用授權(quán)聲明東南大學、中國科學技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位論文的 復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。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，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)東南大學研 究生院辦理。研究生簽名： 圳彳導師簽名: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)機器人簡介自1962年美國制造出第一臺實用的示教型工業(yè)機器人以來，國際上對工業(yè)機器人 的開發(fā)、研制和應用已近60年的歷程。目前，以日、美、德、法、韓等為代表的許多 國家的機器人產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，所生產(chǎn)的工業(yè)機器人己成為一種標準設(shè)備在全球 得到廣泛應用。工業(yè)機器人的主要應用領(lǐng)域有弧焊、點焊、裝配、搬運、切割、噴漆、噴涂、檢測、 碼垛、研磨、拋光、上下料、激光加工等復雜或單調(diào)的作業(yè)、工業(yè)機器人技術(shù)在制造 業(yè)應用范圍越來越廣，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度越來越高，功能也 越來越強，正在向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。按照國際標準化組織(ISO)的定義，機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程 能力的多功能機械手.這種機械豐具有幾個軸.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.工業(yè)機器人則是其中一類機器人的總 稱。依據(jù)具體的應用不同，工業(yè)機器人又可以分為不同類型，其中應用比較廣泛的有 焊接機器人、裝配機器人、噴漆機器人等。機器人的優(yōu)點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。由于應用場合的不同，工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各組成部分的驅(qū)動方式、 傳動原理和機械結(jié)構(gòu)也有各種不同的類型。通常工業(yè)機器人由手部、手腕、手臂、機 身和行走機構(gòu)五部分組成，如圖1.1所示.工業(yè)機器人主要應用于制造業(yè)等各個行業(yè)，在應用過程中主要考慮對機器人進行 控制，以使其沿著指定路徑運動。長久以來，科研人員對工業(yè)機器人的設(shè)計和控制進 行了堅持不懈的研究，形成了機器人學這樣一門綜合性學科。其研究領(lǐng)域廣，內(nèi)容多， 涉及機器人本體結(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方面：(1) 感知系統(tǒng)；(2) 機構(gòu)設(shè)計及驅(qū)動；(3) 運動控制與規(guī)劃；(4) 多機器人協(xié)調(diào)與控制；(5) 應用研究。其中，運動控制與規(guī)劃主要研究在給定了一個合理的機構(gòu)、為機器人配置了適當?shù)?傳感器系統(tǒng)后，如何建立傳感系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)之間的聯(lián)系的問題。解決這個問題，將 使得機器人在環(huán)境中優(yōu)質(zhì)、高效、安全地按照任務要求開展工作.運動控制與規(guī)劃是 本文研究的重點內(nèi)容。圖1.1工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)組成1.1.2工業(yè)機器人的運動規(guī)劃工業(yè)機器人的運動規(guī)劃著重研究如何控制機器人的運動軌跡，使機器人沿規(guī)定的 路徑運動。工業(yè)機器人的運動，根據(jù)其運動軌跡可分為點到點(poinHpoint)運動和路 徑跟蹤(trajectory tracking)運動。點到點運動只關(guān)心特定位置的位置點，而路徑跟蹤運 動則關(guān)心整個運動路徑。軌跡跟蹤運動，希望機器人的末端以特定的姿態(tài)沿給定的路徑運動。為了保證機 器人的末端處在給定的路徑上，需要計算出路徑上各點的位置，以及在各個位置點上 機器人所需要達到的姿態(tài).上述計算路徑上各點處的機器人位置與姿態(tài)的過程，稱為 機器人笛卡爾空間的路徑規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃出的各個路徑點處的機器人位置與姿態(tài)，利 用逆向運動學求取機器人各個關(guān)節(jié)的目標位置，通過控制各個關(guān)節(jié)的運動，使機器人 的末端到達各個路徑點的期望位置。為了使機器人末端盡可能地接近期望軌跡.在進行機器人笛卡爾宇間的路徑規(guī)劃 時，兩個路徑點之間的距離應盡可能小。此外，為了消除兩個路徑點之間的機器人末 端位姿的不確定性，通常對各個關(guān)節(jié)按照聯(lián)動控制進行關(guān)節(jié)空間的運動規(guī)劃。具體而 言，就是在進行關(guān)節(jié)空間的運動規(guī)劃時，要使得各個關(guān)節(jié)具有相同的運動時間。