基于改进鲸鱼优化算法的码垛机器人时间最优轨迹规划

码垛机器人在运行轨迹过程中所消耗的时间直接影响到了其工作效率,针对码垛机器人的轨迹规划的时间问题,提出了一种改进的鲸鱼优化算法对时间进行优化。在基础的鲸鱼优化算法基础上,利用混沌映射初始化种群,引入自适应的权重和改进收敛因子,以提高算法的求解精度、收敛速度和全局搜索能力。首先,根据 D-H 参数法建立机器人的运动学模型;其次,在关节空间中利用3-5-3次多项式插值函数对机器人末端执行器经过的路径点进行规划,然后采用改进的鲸鱼优化算法对时间进行优化。最后通过 MATLAB软件进行效果仿真和对比。结果表明,与其它同类的算法相比,改进的鲸鱼优化算法的求解精度更高,收敛速度更快。将该方法与轨迹优化结合,与未采用算法优化的3-5-3多项式轨迹规划所需要的运行时间相比缩短了22.46％,且各个关节轨迹平稳连续,验证了该轨迹规划方法的有效性。     

基于粒子群算法的可重构模块化机器人速度约束下轨迹规划

针对可重构模块化机器人速度约束下的时间最优轨迹规划进行研究.首先利用旋量理论实现模块化机器人运动学方程的自动生成,并在此基础上利用3-5-3多项式插值进行机器人的轨迹规划.由于可重构模块化机器人系统刚性差、在高速运动时会产生较大振动,需要对运动速度进行约束,本文利用粒子群算法对速度约束下的插值时间进行优化,使得机器人在速度限制下实现运行时间最优.最后通过仿真实验得到机器人角度、加速度以及角加速度曲线并进行分析,证明了方法能有效地实现速度约束下的最优轨迹规划.     

多功能拆除机器人自动对接工具轨迹规划研究

为保证多功能拆除机器人机械臂在自动对接工具过程中的轨迹平稳连续和启停无冲击,提出了一种可配置速度的分段轨迹规划方法,即首先利用Bezier曲线生成其避障对接路径,然后在关节空间利用4-4-…-4-5次多项式对其对接路径进行分段插值。最后,以某型三臂式多功能拆除机器人对接工具为例,通过Matlab进行仿真,结果表明:4-4-…-4-5次多项式插值轨迹规划方法保证了多功能拆除机器人各关节角角度、角速度和角加速均连续,且启停位置具有零速度和零加速度,为实现多功能拆除机器人自动对接工具提供了基础。     

高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化

针对完全依靠人工带电拧紧高压输电线路引流板螺栓作业效率低、劳动强度大、高空和高电压危险的问题,研制了一种双臂和双机械手的引流板螺栓拧紧带电检修机器人。通过各关节的轨迹规划双作业臂及其末端由初始位姿运动到螺栓螺母对准状态是机器人顺利完成检修作业的关键。针对现有多项式插值关节轨迹规划依赖于轨迹端点时刻,导致该方法实用性差及关节轨迹运动过程中忽略驱动机构对关节状态制约的问题,提出基于Min-Max时间标准化的改进多项式插值关节轨迹规划方法。基于该方法,以关节运动时间为优化对象,提出满足关节轨迹运动全程约束条件的关节运动时间区间范围的求取方法。通过仿真实验验证了改进算法关节轨迹仅与轨迹端点状态及运动时间有关,而与端点时刻无关,进一步淡化轨迹端点时刻对关节轨迹的影响,提高算法的实用性。通过选取最优关节轨迹运动时间,满足了关节状态全程状态约束要求,从而避免超调的发生,优化了各关节运动轨迹,提高了关节运动的效率。最后通过现场试验进一步验证改进算法的工程实用性。     

基于改进TEB算法的阿克曼机器人运动规划系统

TEB(timed elastic band)算法通过修饰全局路径规划生成的初始轨迹来优化机器人轨迹,得到一条满足机器人运动学动力学约束,避开障碍物,时间较优的轨迹。加速度的变化率过大会使机器人底盘电机输出的力矩突变引起机器人受到冲击震荡,加加速度的约束可使加速度的变化率限定在一个合理的范围,在TEB方法中缺少加加速度约束的基础上,对原始TEB算法进行改进,在轨迹优化过程中构建了具体的加加速度的约束,并在Stage仿真平台对改进TEB算法进行了仿真和在真实的阿克曼机器人上进行了实现,实验结果表明:得到的轨迹满足运动学、动力学,避开障碍物的要求而且平滑,真实机器人运动平顺。可见,改进的TEB算法适用于阿克曼机器人,规划的轨迹效果较好。     

基于粒子群优化算法的绳驱动连续体机器人轨迹规划

为提高绳驱动连续体机器人运动的平滑性和稳定性,在关节空间和笛卡尔空间研究了基于样条函数和粒子群算法的轨迹规划问题。首先,采用双参数局部指数积公式建立连续体机器人的运动学模型;其次,根据牛顿-拉夫森迭代方法进行逆运动学求解;最后,基于自适应惯性权重的粒子群时间最优化算法结合五次B样条函数,分别实现了连续体机器人在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划。仿真结果表明：在相同的条件下,两种方法均可得到连续体机器人末端的连续轨迹,速度均小于10 mm/s,加速度均小于20 mm/s²;基于关节空间规划出的关节位移、速度、加速度曲线更为平滑,关节空间规划用时9.219 3 s,笛卡尔空间规划用时10.604 6 s。基于粒子群优化算法的绳驱动连续体机器人轨迹规划研究,提高了连续体机器人的运动性能,可为绳驱动连续体机器人的位姿规划提供参考。     

改进多目标PSO算法优化机器人轨迹跟踪模糊PID控制器

为进一步提高模糊PID控制器应用于关节机器人轨迹跟踪控制的效果,本文提出了一种改进的多目标粒子群(PSO)算法优化机器人轨迹跟踪模糊PID控制器的方法。首先,设计了一种关节机器人轨迹跟踪模糊PID控制器;其次,考虑控制器输出力矩和轨迹跟踪控制偏差2个优化目标,设计了改进多目标PSO算法实现模糊PID控制器隶属函数与模糊规则的优化调整;最后,分别采用多目标PSO算法和改进多目标PSO算法优化轨迹跟踪模糊PID控制器获得了2个优化目标的向量集合,并对比分析了优化结果。实验结果表明,所设计的改进多目标PSO算法具有更优的非支配解集,验证了该算法优化机器人轨迹跟踪模糊PID控制器的有效性和优越性。     

关于操作手路径优化研究的一种方法

将操作手的路长规划问题分解成两部分：一是利用现有的研究方法解决基于在线路径轨迹的离线过程的路径优化,并采用三次样条函数构造各关节轨迹;二是研制在操作手的每对相邻簇集间时间分配的算法,使得操作手在满足关节速度、加速度、加加速度等物理约束条件下,总的移动时间最短。     

工业机器人冲击最优的轨迹规划算法

轨迹规划是工业机器人控制的一个重要组成部分,它对机器人性能的提高有着关键作用,为了解决目前笛卡尔空间轨迹规划加速度不连续,导致机器人运行过程中冲击过大而产生振动、机械磨损、使用寿命缩短等问题,研究冲击最优的轨迹规划算法。用S形速度曲线代替梯形速度曲线,对B样条进行插补,插补后得到笛卡尔空间的位置、速度、加速度参数,反推到关节空间进行仿真验证,仿真结果表明,利用S形速度曲线插补时各关节加速度连续,冲击有了明显减小。     

自主挖掘的时间最优轨迹规划

为了使挖掘轨迹更接近规划路径,提出一种新的挖掘机轨迹规划方法,即在关节空间内交叉使用三次插值多项式与五次插值多项式。其中三次多项式的系数仅通过关节角位移确定,利用五次插值多项式保证三次插值多项式轨迹之间的角速度、角加速度连续且整条轨迹首末角速度及角加速度为0。以某型液压挖掘机为例,分析其正运动学及工作空间,利用粒子群算法求解逆运动学的数值解。选取工作空间内的一条轨迹,以角速度、角加速度作为限定条件,采用活跃粒子群算法对插值时间进行优化,得到轨迹最短时间及关节最优角度曲线。在相同条件下与4-3-3-3-4多项式插值方法进行比较,最大误差减少26.1%,平均误差减少30.0%,结果表明交叉插值方法得到的末端曲线更贴合期望曲线,证明了有效性。     

Delta机器人拾放操作门型轨迹优化与ANPD控制试验

为实现Delta机器人稳定快速拾放作业,基于次数和长短轴可变的3参数Lamé曲线构造笛卡尔空间门型运动轨迹,采用非对称6次多项式规划门型路径的运动规律,推导离散时间下的位移、速度和加速度公式。为进一步平滑运动轨迹,以关节力矩变化率均值为优化目标,采用遗传算法对Lamé曲线的3个参数进行综合优化,提出Lamé曲线次数的选取方法。在此基础上,通过引入一类饱和非线性函数设计Delta机器人增广非线性PD(ANPD)控制器,对自主设计的机器人开展控制试验。结果表明,该轨迹优化方法能获得平滑运动轨迹,机器人轨迹跟踪误差小,重复定位精度高。     

双臂机器人协调运动载荷分配的优化方法

针对双臂机器人搬运工件的协调运动,研究载荷分配的优化方法,在协调运动动力学方程基础上,首先给出载荷分配的最小范数法,其次以关节广义驱动力为目标函数,取载荷及关节广义加速度为设计变量,建立满足最小关节广义驱动力及载荷分配的同步优化方案,便于双壁机器人的实时控制。     

液压挖掘机自主挖掘系统规划级技术研究

以完善挖掘机器人自主挖掘控制系统规划级对各关节运动规划的能力为目标,提出了一种基于规则的规划级设计方案,通过智能启发式搜索方法搜索挖掘关键点以完成设定挖掘任务的分解,使得整体搜索时间小于20 s,搜索速度快且精度较高;采用基于多目标的角度最优方法解决挖掘路径点的最优插值问题,分析结果表明该算法对于动臂及斗杆的运动优化较为明显,其对应驱动液压缸的运动行程平均减少了73 mm和131 mm;采用基于动态时间最优算法完成整个过程中各关节的轨迹规划问题,并生成整个过程中各关节对应的最优运动序列。仿真分析结果表明,该方案可以有效完成设定任务的整体规划,并大幅减少挖掘过程中液压系统的冲击和振动以及驱动液压缸的运动幅度,使得挖掘机器人工作装置运动更为平稳并具有节能性。     

基于多项式拟合插值函数的码垛机器人轨迹规划

以四自由度码垛机器人为研究对象,基于关节空间提出一种新型多项式拟合插值的运动轨迹规划方法。该方法不仅能够保证其速度、加速度甚至冲击有界且连续,还可得到不同限制条件下机器人最短执行时间;同时根据码垛机器人的特殊结构和特定运动模式,基于机器人末端运行路径实现了对关节运动过程的进一步合并优化,使得编程控制简单化。基于MATLAB软件对拟合曲线实现了仿真,分析对比了对称型及非对称型拟合曲线各自的性能。最后,在TRIO Motion Perfect软件环境下实现了码垛机器人实验运动控制。结果表明,该运动轨迹规划方法准确可行且工作效率高。     

高压绝缘子清扫机器人的运动优化

研究了高压绝缘子带电清扫机器人的振动控制问题，提出了以升降臂的残余应变能为性能指标，应用极小值原理优化清扫臂伸缩运动的加速度，降低升降臂残余振动的方法．针对包含两点边值问题的优化问题，给出了用满足边界约束条件下，加速度离散节点的三次样条插值曲线逼近加速度曲线的数值解法，并将得到的优化轨迹的减振效果与经过优化的梯形速度曲线进行了比较．结果表明，该方法可以更有效地降低升降臂的残余振动．     

基于混合样条曲线的换刀机器人换刀轨迹规划研究

为研究换刀机器人能沿特定路线平稳运动的问题,对机器人模型进行运动学分析和轨迹规划.利用旋量理论推导出机器人的运动学模型,结合蒙特卡洛法仿真得到了机器人末端工作空间的分布情况. 提出一种多节点多样条曲线运动的轨迹规划方法,以关节位移、角速度和角加速度为评价指标,分别采用3-3-3,5-5-5和4-5-5样条曲线进行了轨迹规划.样机平台试验表明,4-5-5混合多项式可以得到较平稳的加速度变化曲线,有效解决了加速度发生阶跃和突变过大的现象.以上研究为机械臂复杂换刀路径的轨迹规划提供了基础.     

结合深度强化学习与变形五次多项式的搬运机器人关节轨迹规划

针对在生产节拍固定的情况下搬运机器人各关节的运动轨迹及时间分配问题,构建基于深度强化学习与变形五次多项式相结合的搬运机器人关节轨迹时间分配模型;设计以节拍要求、速度约束和加速度约束为目标的奖励函数,搭建神经网络,利用MATLAB/Simulink软件,得到满足生产节拍和运动学约束的时间序列,并利用单臂四自由度搬运机器人仿真实验,验证所构建模型的可行性和有效性。结果表明：单臂四自由度搬运机器人各关节的运行时间均为5.89 s,其中平移关节1、 3的最大速度分别为2 597.84、 1 697.97 mm/s,最大加速度分别为19 532.11、 31 302.61 mm/s²;旋转关节2、 4的速度大小相等且方向相反,最大角速度均为137.53 (°)/s,最大角加速度均为1 180.51 (°)/s²,均未超过运动学约束;所构建的模型可以解决在指定生产节拍下搬运机器人关节轨迹时间分配问题,实现搬运机器人搬运过程中各关节的运动均衡,改善搬运机器人运行的稳定性和有效性。     

采用粒子群优化算法的液压挖掘机高效空中运动轨迹规划方法

以铲斗姿势角为约束,利用三次多项式插值法进行轨迹规划,以铲斗尖运动的最短路径为目标,并以各关节的最大运动速度为约束,用粒子群优化(PSO)算法对各关节的运动时间进行优化.实验数据和仿真结果表明:经过粒子群算法优化后的轨迹规划方法可大幅度提高挖掘机空中运动的工作效率,并保证各关节运动的平稳性,实现运动路径最优的目标.     

多关节跳跃机器人的起跳机理与运动规划分析

在给定离地任务要求的情况下,针对多关节冗余自由度跳跃机器人起跳机理及运动规划与优化问题进行了研究.以速度方向可操作度为性能指标,将期望的离地质心速度和加速度映射到关节空间,作为关节空间规划的边界条件.采用Fourier基函数参数化关节空间轨迹,从正运动学方程出发,结合驱动约束条件,利用粒子群优化算法搜索和寻求使能量利用率最大的参数值,实现起跳性能的优化.利用计算机仿真证实了此种方法的可行性.此外还建立了滑模控制器,实现起跳阶段轨迹跟踪控制仿真分析,为具有冗余自由度的多关节跳跃机器人的运动规划提供了一种有效的方法.     

机器人手臂轨迹规划的研究

研究了服务机器人手臂关节空间的轨迹规划问题.利用三次B样条函数对机器人手臂的5个关节变量进行插值,使规划的轨迹函数连续并平滑,从而保证机器人运动的平稳性.实验表明,这种轨迹规划方法是准确和可行的.