谈机械手机械手避碰路径规划计算机辅助设计与模拟毕业设计365bet体育在线下载_365bet娱乐场注册_365bet提款多久到帐致谢

365bet体育在线下载_365bet娱乐场注册_365bet提款多久到帐导读:解析的方法计算出各杆臂的关节角度,可避免复杂的逆向运动学计算。最后,本文使用MATLAB软件构建机械手臂与障碍物的三维实体模型,并读取程序计算所得的各杆臂关节角度,进行机械手臂的避碰运动模拟。使用MATLAB软件进行模拟仿真,可在视觉上再度验证避碰路径的可行性。  1?机械手臂的运动学  机器人运动的控制就是控制机器人
  摘 要:本文以离线运动规划方式,使用计算机程序搜寻二维机械手臂的避碰路径的平面直角坐标,以便迅速且合理地求得与避碰路径对应的手臂关节角度。在避碰搜寻过程中,以基本的几何形体代替机械手臂与障碍物的外形来检查手臂的各杆臂是否与障碍物发生碰撞的现象。最后,使用MATLAB软件建立机械手臂与障碍物的实体模型,并读取由程序所产生的关节角度,以进行机械手臂的避碰运动模拟,同时提供视觉上验证避碰路径的可行性。

  关键词:机械手臂;避碰路径规划;计算机辅助设计

  :A DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2013.06.024

  0 引言

  在工厂自动化的过程中,机械手臂的应用十分广泛,从简单的工件搬运到复杂的精密加工定位皆可胜任。除了高品质、高效率的工作能力外,对于粗重、单调、甚至于危险、恶劣环境下的工作,机械手臂更是能代****员进行,以减少对人员的伤害。然而,一般在机械手臂的工作环境中,难免会有障碍物的存在,若要完成指定的工作,势必要避开障碍物。因此,如何使机械手臂避开障碍物的路径规划,将显得颇为重要。

  关于机械手臂避碰路径规划,已有不少学者提出各种方法,可归纳整理如下:1)阶层路径搜寻法(Hierarchical-path-search):利用四元树(Quadtree)将障碍物影象分成等分区域,每个区域都用一个节点来表示,而其中节点包括障碍物节点(obstacle nodes)与自由节点(free nodes),障碍物节点表示障碍物存在的区域。利用这些自由节点产生一树状结构图,设计者可根据此树状图做轨迹规划的工作,找出最佳的路径。2)能量场法(Potential field):此方法的观念是将机械手臂置于一力场中做分析,此力场中有排斥力与吸引力两种力的力场,所有的路径规划,就在此两力的互相作用下进行。3)可通过空间法(Free space):先扫描整个工作空间以找出无障碍物的空间,利用障碍物边界及工作空间边界定义出广义锥形体(generalized cone),如物体沿此锥形体的中心线移动而不与障碍物发生碰撞,就将此圆锥体列入可通行空间,而整个可通行的空间就以这些重叠的圆锥体来表示。4)架构空间法(Configuration space):将机械手臂各轴的状态,用轴空间来表示,对n个自由度的机械手臂而言,其在架构空间的位置则用n维向量来表示它。设计者可在机械手臂的活动空间内,对非障碍物的区域进行路径规划。5)可视图法(Visibility graph algorithm):此方法是将原障碍物边界扩大后所得到的新的障碍物,称此线段为连接杆。连接起点与终点的连续连接杆的合形成了一安全路径,而所有安全路径所形成的图形即称为可视图。此种方法限于处理多边形障碍物,无法处理圆形或其他圆滑外形的障碍物。(六)距离图示法(Distance Maps):此方法是先定义距离单位,并将其离散化。整个工作区域以数个区间表示,除了障碍物的区间以0表示外,其余区间以一个整数来作为标记,标记的整数值表示与障碍物的距离,其数值愈小表示距离障碍

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物的距离愈小,而设计者即可依据此数值进行路径规划的工作。本文以一个全为转动关节的三连杆机械手臂为例,并将障碍物以基本的几何形体加以描述,以作为本文所使用的模型。在路径规划上,本文运用了距离图示法的概念并加以简化,其做法为省略了对工作区域的离散化,以及定义工作区域的距离单位的步骤,而直接找出障碍物的碰撞区间,并将障碍物离散化成适当的节点。因此,运用这种方法便于运用碰撞检查法检查手臂各杆臂与障碍物四周搜寻无碰撞的坐标点位置。本文同时使用平面解析的方法计算出各杆臂的关节角度,可避免复杂的逆向运动学计算。最后,本文使用MATLAB软件构建机械手臂与障碍物的三维实体模型,并读取程序计算所得的各杆臂关节角度,进行机械手臂的避碰运动模拟。使用MATLAB软件进行模拟仿真,可在视觉上再度验证避碰路径的可行性。

  1 机械手臂的运动学

  机器人运动的控制就是控制机器人各连杆、各关节等彼此之间的相对位置和各连杆、各关节的运动速度以及输出力的大小,这就涉及到各连杆、各关节、作业工具、作业对象、工作台及参考基准等彼此之间的相对位置的关系.因此,我们对机器人位姿描述和坐标变换进行分析,设置机器人各连杆坐标系,确定各连杆的齐次坐标变换矩阵、建立机器人的运动学方程.机器人运动学主要包括正向运动学,即给定机器人各关节变量,计算机器人末端的位置与姿态;逆向运动学是已知机器人末端的位置与姿态,计算机器人对应位姿的全部关节变量.一般正向运动学的解是唯一的,而逆向运动学往往有多个解且分析方法更复杂。

  1.1 顺向运动学

  用于描述机械手的位姿矩阵如下[1-6]:

  其中:

  R为一个3*3的旋转矩阵,代表运动点的坐标相对于固定原点坐标的方位。

  P为一个3*1的位置向量,代表运动点的坐标相对于固定原点坐标的位置。

  ρ代表一个1*3的****向量,在机械手臂转换矩阵中为0。

  λ为一个比例因子,在机械手臂转换矩阵中为1。

  使用D-H的表示法,将机械手臂的每一个杆臂赋予一个坐标系来表示,所得到的坐标转换式为:

  其中n为法线向量,s为滑动向量,a为接近向量,p为X、Y、Z三方向的位置向量。依照上述公式,求得机械手臂的齐次转换矩阵,也称为顺向运动学方程。

  本文使用的机械手臂是由3个旋转关节所构成的3轴机械手臂,手臂的参数如表1所示:

  1.2 逆向运动学

  通常描述机械手臂的位置都习惯以笛卡尔坐来表示[1-8],然而在机械手臂路径的规划上,必须将各路径点的资料转换成各关节角度的资料,为了达到此目的,可以用逆向运动学的方式完成。一般求解机械手臂的逆向运动学,常用的方法有代数解、几何解及数值解等三种解法。代数解是利用齐次转换矩阵,由逆矩阵的计算找出等式两边各元素间的关系而求解;几何解则是将空间几何分解成数个平面几何问题,利用平面几何学来求解;数值解则是利用连续迭代的计算,以雅可比矩阵所表示的微量变动关系式进行求解。每种求法各有其优缺点,例如使用代数解时,容易在推导过程中遇到非线性方程式的问题等。本文应用几何法来求解机械手臂的逆向运动学问题,可节省如代数解中必须利用反矩阵的计算找出等式两边各元素间的关系而求解等繁杂的公式推导,并可依据所使用的演算法则,迅速求解出合理的答案。逆向运动学运用平面解析几何的基本定理,如余弦定理,三角恒等式,二项式方程等,以便迅速求得个关节角度坐标,避免了复杂的代数解。以下就本文所用的方法加以说明。   由于当手臂运动到指定点时,其间各杆臂的旋转角度并不是唯一的,因此,本文希望当杆臂末端到达目标点时,各杆臂关
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