摘要
机器人智能化主要是指机器人可以自主的完成工作任务，即实现机器人自主避障运动规划。在智能制造和“中国制造2025”背景下，高效灵活的自主避障运动规划能力已成为当前的生产生活对机器人提出的一个迫切而实际的要求。本文以六自由度机械臂为研究对象，围绕机械臂的自主避障运动规划问题，研究了机械臂的正逆运动学、正逆动力学、避障路径规划以及多目标最优轨迹规划。主要研究内容如下所示： （1）机械臂运动学和动力学建模：基于DH法建立了机械臂的正逆运动学模型。通过变换矩阵以及对奇异点的分析得到了封闭的逆运动学求解算法。基于牛顿欧拉法建立了机械臂的动力学模型。基于simscape进行了机械臂动力学的仿真，验证了动力学求解函数的正确性。采用蒙特卡洛法求得了机械臂的工作空间。通过双臂搬运的仿真验证了逆运动学求解算法的有效性。 （2）机械臂避障路径规划：针对RRT算法和RRTConnect算法在复杂环境下需要重复过度的搜索，导致节点过于接近出现边缘交叉这一缺点，提出了基于稀疏死点保存策略的机械臂快速路径规划算法。分别在二三维环境中对几种算法进行了对比验证。结果表明，SDPS-RRTConnect算法极大地减少了碰撞检测次数，提高了规划速度，证明了改进算法在复杂环境中的优良效果。 （3）机械臂多目标最优轨迹规划：首先介绍了基本的轨迹规划，对直线插补、圆弧插补以及姿态插补进行了规划。在此基础上进行了时间最优轨迹规划，给出了所需要的目标函数和约束条件。虽然时间最优轨迹规划可以使得机械臂完成预期轨迹的时间减少，但同时也导致了能量消耗和冲击的提高。因此进行了基于NSGA-II算法对轨迹进行了多目标优化，给出了时间、能量、冲击的优化目标函数。通过归一化目标权重函数即可从Pareto前端中获得所需的解。 （4）仿真与实验：以实验室自研机器人为研究对象，在MATLAB中构建了机器人仿真环境。设置了障碍和机械臂姿态，基于SDPS-RRTConnect算法进行了机械臂路径规划，成功地得到了无障碍路径。采用真实机器人进行实验验证，机械臂成功地无碰撞到达了目标点。对于最优轨迹规划，通过遗传算法达到了时间最优的效果，采用NSGA-II算法实现了时间、能量、冲击多目标最优的效果，且运动过程中的位移、速度、加速度、力矩等都在约束范围内。
NETL