基于遗传算法的工业机器人时间最优轨迹规划及仿真研究

作者:郭清达;万传恒;史步海 刊名:计算机测量与控制 上传者:侯庆梅

【摘要】为了使工业机器人的末端执行器在任给路径下运行时间最短,在考虑机器人各关节速度、加速度、加加速度和力矩约束的情况下,以PUMA560为例,对工业机器人轨迹进行时间最优规划;在Matlab平台上,对该轨迹规划优化算法进行仿真,仿真结果表明机器人各关节时间最优轨迹规划比未处理的轨迹规划时间明显缩小6.999 4s,6.651 0s,6.351 2s,各个关节的轨迹曲线平滑,从而验证了该算法的有效性。

全文阅读

0引言工业机器人是现代制造业中重要的工厂自动化设备,它涉及机械、电子、控制、计算机、传感器和人工智能等多种学科。工业机器人在给定的自动控制算法下,能够重复准确地完成指定的动作(点动、位移等)。在几何空间里给定两端点之间,具有多条可能的轨迹。机器人的运动轨迹,需要满足机器人运动学和动力学约束条件。机器人轨迹规划技术是机器人研制的关键所在。机器人时间最优轨迹规划是指在满足给定约束条件下,使末端执行器在任给路径下运动时间最短,得以提升工业机器人的工作效率。本论文以PUMA560工业机器人为应用对象,应用遗传算法对轨迹进行优化,并在Matlab平台进行仿真研究。1PUMA560工业机器人UnimationPUMA560是一个六自由度机器人,所有关节均为转动关节。把基座描述的坐标系记为{0},连杆i的坐标系记为{i}。PUMA560机器人与许多其它工业机器人相同,后3个关节的轴线交于一点。各个连杆的参数定义如下:(1)ai-1是从zi-1到zi沿着xi-1轴方向的距离;(2)i-1是从zi-1到zi绕着xi-1轴转动的角度;(3)di是从xi-1到xi沿着zi轴方向的距离;(4)i是从xi-1到xi绕着zi轴转动的角度;图1PUMA560六自由度机器人这里ai-1表示连杆i-1的长度,所以规定ai-10,其他的参数i-1、di和i的值可正可负。连杆参数如表1所示,其中a2=0.4318,a3=0.02032,d2=0.14909,d3=0.43307。表1PUMA560机器人的连杆参数表连杆变量ii-1()ai-1di变量范围()11000-160~16022-900d2-225~45330a20-45~22544-90a3d4-110~170559000-100~10066-9000-266~266注:所有参数中,只有是变量,其他的参数a,,d都是常量。2最优时间轨迹规划在符合机器人动力束缚、运动束缚的情况下,对机器人进行轨迹优化的目的,就是找到使机器人工作时间最短或工作消耗能量最小的轨迹曲线。2.1目标函数对机器人进行轨迹优化就是满足机器人工作时间最短或机器人工作消耗能量最小,或二者皆有,对于轨迹优化的目标函数,本文选择使机器人工作时间最短为优化目标。即:T=minm-1i=1hi(1)式中,T为机器人走完整条轨迹曲线的总时间。h1、h2、h3,…,hm-1分别为机器人走完每一段轨迹曲线所需的时间,m为型值点总数。2.2约束条件机器人轨迹优化时涉及到的约束条件为两类动力学约束及运动学约束。动力学约束条件是各关节力矩或者力约束,运动学约束条件是各关节速度,加速度及加加速度约束。(1)速度束缚假设机器人第i段轨迹曲线的关节速度是i(u)=qt(2)速度约束描述为:式中,为机器人选定关节限制的关节速度最大值。(2)加速度束缚假设用i(u)表示第i段轨迹的关节加速度,则i(u)=di(u)dt=di(u)dududt=qt-qtt3(3)加速度约束限制为:式中,为机器人某关节允许的最大关节加速度。(3)加加速度束缚令第i段轨迹的关节加加速度用…i(u)描述,则…i(u)=di(u)dt=di(u)dududt(4)加加速度约束表示为:……式中,…为机器人某关节允许的最大关节加加速度。(4)机器人力矩束缚机器人曲线轨迹上的力矩最大值就默认取自各等分点上的最大值。Q=max{|Qi|,i=1,2,…,n}(5)力矩约束表达示为:QQmax,式中,Qmax为机器人某关节所允许的最大力矩。2.3基于GA算法的全局寻优机器人沿整个轨迹曲线运动的总时间的优化,可转化为机器

参考文献

引证文献

问答

我要提问