1、七轴机械臂空间避障路径规划仿真研究摘要：机械臂如今越来越普遍的应用于工业制造，探测，排爆，采集等各个领域，对人们的生产生活带来了巨大的帮助。但工作环境中躲避障碍物的问题严重制约机械臂的应用和发展。因此对机械臂避障路径规划进行研究，有重要的实际意义和使用价值。由于七自由度机械臂具有灵活，稳定，可操作性强，结构复杂的特点，具有一定的典型性，因此本文针对七自由度机械臂进行避障路径规划的研究。对避障路径规划的方法中典型的反解法，人工势场法，A*算法进行详细的分析和研究。本文通过EF-IRC-I型七自由度模块机器人和matlab仿真进行方法的验证。经验证，本文所采用的方法在空间避障过程中起到很好的效果。
2、关键词：七自由度，机械臂，避障Space obstacle avoidance path planning simulation research of seven axis mechanical armAbstract:The mechanical arm is now more and more widely used in industrial manufactur- ing,detection,vehicle,acquisition and other fields,for the peoples production and life are of great help.But av
3、oid obstacles problems in the work environment of mechanical arm in the application and development.So the study of mechanical arm obstacle avoidance path planning,has important practical significance and use value. With flexible mechanical arm with seven degrees of freedom,stability and maneuverabi
4、lity is strong,the characteristics of the complicated structure,has certain representativeness,so this article in view of the seven degrees of freedom mechanical arm obstacle avoidance path planning research. For obstacle avoidance path planning of the typical method,artificial potential field metho
5、d,A* algorithm is A detailed analysis and research.In this article,through EF-IRC-I type seven degrees of freedom robot module and matlab simulation method valida- tion.Experience,this paper adopted by the method in the process of space obstacle avoidance have very good effect.Keywords: seven degree
6、s of freedom, the mechanical arm, obstacle avoidance 目 录1 绪论11.1 课题背景和研究意义11.2 避障路径规划概述11.3 国内外研究现状21.4 本文的主要内容和结构安排42 机器人简介52.1 机器人的介绍52.1.1 预备知识52.1.2 EF-IRC-I型机器人的简介62.2 机器人的状态与控制92.2.1 通信状态92.2.2 报警状态112.2.3 控制状态112.3 机器人的预定轨迹运动控制133 机器人运动学研究153.1 机器人数学建模153.2 D-H法建立坐标系163.3 机器人正解183.4 机器人反解193.
7、4.1 数值解法的反解运算分类203.4.2 描述机器人末端姿态的常用方法224 机械臂避障路径规划方法234.1 典型避障路径规划方法234.1.1 反解规划方法234.1.2 人工势场法234.1.3 A*搜索算法244.2 机械臂避障路径规划方法分析255 实验及仿真275.1 MATLAB软件中机器人模型的建立275.2 避障路径轨迹规划285.3 MATLAB中程序控制机械臂运动的相关命令305.4 机械臂避障过程中运动学分析31总 结34参考文献35致 谢37附录1 速度图程序38附录2 位置图程序55I1 绪论1.1 课题背景和研究意义 机械臂是一种模拟人臂的机械装置。随着科学技
8、术的发展，逐渐应用于工业制造，医学治疗，娱乐服务，军事以及太空探索等各个领域之中，给人类的生产生活带来了巨大的便利。随着人类对机械臂的需求，机械臂也逐渐集自动化，精密机械，传感器，电子，计算机等技术于一体，往智能化自主化的方向发展。 自早期的机械臂发展至今，机械臂已经经历了以下三代1：第一代顺序控制机械臂，即所谓的示教再现机械臂，它没有传感器，主要用于作业顺序和环境相对固定的场合，因此可通过编程实现重复性工作。但是因为不能在作业中改善品质，因此应用范围和精度受到了很大的限制。第二代反馈机械臂可以通过触觉，视觉等传感器对外部环境进行实际探测，用探测到的信息对机械臂进行反馈控制。此类机械臂能够对自
9、身进行调整，因此行动品质大大提高。第三代智能机械臂有多种传感能力，具有人工智能的特性。能根据复杂的环境进行推理从而自主决策完成复杂的任务。智能机械臂还处在研究阶段。 随着机械臂的发展，由以前的单关节到现在的多关节，机械臂工作空间也由二维转换到三维，完成任务的复杂度也在不断提高。由此，避障技术成为了领域重要的研究课题。避障路径规划是机械臂应用中的一项重要技术。例如：在执行装配、焊接及抢险救灾等任务时，采用良好的避障规划技术可以节省大量机械臂的作业时间，减少磨损，同时可以节约人力，减少资金投入，为机械臂在更多领域的应用奠定基础。虽然机械臂的避障路径规划已经取得了很多的研究成果，但是在很多方面还存在
10、缺陷和不足。因此对七自由度机械臂的路径规划研究，具有很重要的现实意义和研究价值。1.2 避障路径规划概述 这里需要指出的是，路径规划(Path Planning)、轨迹规划(Trajectory Planning)是有区别的：路径只是指空间的曲线，而不包含时间的概念，对于机械臂来说，定义为机械臂位姿的一个特定序列，而不考虑机械臂位姿的时间因素。路径规划问题涉及环境达、规划方法和路径搜索策略。环境表达研究如何将环境信息有效地表达出来；规划方法关心的是在环境表达的基础上而进行的数学模型的抽象；路径搜索策略指的是求解路径函数的方法技术。 轨迹是指一个点在空间移动，它所通过的全部路径，要考虑时间的因素
11、。轨迹规划是给定机器人末端执行器的跟踪路径及描述机器人动力学和描述力矩约束的微分方程，规划出机器人运动过程中的位置、速度及加速度，以使得某个目标最优。 避障路径规划是指在有障碍物的环境中，如何寻找从起始点到目标点的运动路径且无碰撞地通过所有障碍物2。 从数学角度看，避障路径规划问题可以表达为求解某个目标函数极值问题：目标函数就是所规划路径的成本；约束条件是避免与障碍物相碰撞，其数学模型可以表达为如下形式3： (式1.1) 其中为目标函数，是(非线性)约束条件，代表约束不等式个数。 避障路径规划问题具有如下特点： （1）复杂性。在复杂环境尤其是动态时变环境中，避障路径规划问题非常复杂，且需要很大
12、的计算量。 （2）随机性。复杂环境的变化往往存在很多随机性和不确定因素。动态障碍物的出现也带有随机性。 （3）多约束。运动对象存在几何约束和物理约束。几何约束指的是运动对象的形状制约，而物理约束是指运动对象的速度和加速度。 （4）多目标。运动对象在运动过程中路径性能要求存在多种目标，如路径最短、时间最优、安全性能最好以及能源消耗最小等。但诸目标之间往往存在冲突。因此避障路径规划问题是动态多目标优化问题。对避障路径规划进行研究有很大的难度和挑战。1.3 国内外研究现状 在狭窄空间内对机械臂进行避障前提下的路径规划是相当困难的。目前，机器人运动规划可以分为两类：全局路径规划和局部路径规划。基于环境
13、建模的全局路径规划的方法主要有自由空间法、构型空间法、拓扑法和栅格法等。基于局部路径规划的方法有人工势场法、遗传算法、模糊逻辑算法、神经网络方法、蚁群算法、粒子群算法等。 近年来，人们对全局路径规划的研究的兴趣逐渐减弱，因为全局路径需要已知全部的环境信息，这在实际的应用中不太现实。虽然有可能得到全局的最优路径，但是计算复杂度非常高，大多数情况下全局最优路径也是没有必要的。 在线实时的避障方法成为了当今机械臂避障路径规划研究中的热点。 文献4中提出了一种在线实时的解决方法。在障碍物的周围建立了可达位姿空间的虚拟安全区(safety zone)，在区域内使用伪逆矩阵(Moore-Penrose)的
14、方法进行机械臂的反解。因为伪逆法可以避免奇异点的发生，所以在虚拟安全区内的机械臂可以安全的避开障碍物。但是这个方法难以解决动态避障的问题，虚拟安全区的建立是在预处理阶段进行的。 文献5中使用人工神经网络(ANN)的方法对机器人反解运算进行拟合，解决了奇异点的问题。但是此方法依然只是对末端点的避障规划，没有考虑到臂端避障的问题。 文献6中使用迭代策略(Iterative strategy)进行避障。此方法确定目标点后，要寻找下一步要移动的相邻关节角。在碰撞检测(collision detection)后关节角的选择要求是不碰撞，同时与目标点的误差与机械臂各关节的位移的数值总和最小。此方法有算法简
15、单的特点，可以动态的避障。但是安全的避障应该与障碍物保持一定的距离，此方法会使机械臂靠着障碍物的边界移动，若有误差则很可能碰撞，对机械臂的控制和场景的建模造成一定的难度。 文献7中使用预测控制非线性模型(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)对冗余机械臂进行控制，可以使机械臂沿预定的几何路径进行运动，不会发生碰撞和奇异点。在线避障过程中，可以通过模糊策略自动调整NMPC的权重，使其适应环境从而得到比较好的避障效果。但是由于非线性模型的计算量都很大，耗时比较长，所以此方法不利于动态的避障规划。 文献8提出一种将人工势场法与A*算法相结合的方式对四关节的机械臂进行避障路径规划。将机械臂前两关节使用人工势场法选择最优，前两关节的移动范围比较小，所以发生局部极小的概率比较低。后两关节进行A*搜索取最优，因为关节少，所以计算复杂度较低。但是此算法只适用于自由度较低的情况，可以一定程度上缓解两个算法各自的缺陷，但优化后的效果不明显。 此外，遗传算法，蚁群算法，粒子群算法也被应用到机械臂的避障中来，取
