7-DOF喷涂机器人运动学分析及避障路径规划

摘要

喷涂机器人是喷涂业首选的自动化喷涂设备，能够有效的提高产品喷涂质量和喷涂效率，改善工人的作业环境。传统六自由度机器人可以满足在笛卡尔空间内作业需求的位置和姿态，但六自由度喷涂机器人无法保证其末端执行器达到作业位姿的同时，躲避开障碍物体。因此，具有更高灵活性的7-DOF喷涂机器人受到更多的关注，而其相关的问题也成为了研究的热点。本课题针对7-DOF机器人喷涂产品内表面需避障的问题，对7-DOF喷涂机器人的逆运动学和避障路径规划进行了研究，提出了一种避障路径算法和逆运动学求解相结合的路径规划方法。主要研究内容如下： （1）对7-DOF串联机器人的特点进行了分析，阐述了仿人手臂的机器人构型的优越性。以本文所建立的7-DOF喷涂机器人模型为参考，对机器人正运动学进行了分析。求解了该机器人工作空间。 （2）采用解析法求解了7-DOF喷涂机器人的运动学方程逆解，采用迭代法求解了7-DOF喷涂机器人数值解。基于最佳柔顺性优化指标，提出了一种将迭代法初值作为粒子群算法粒子的方法，优化了7-DOF喷涂机器人运动学逆解。针对基本粒子群算法求解精度不高，易陷入局部最优的缺点，提出了一种改进的PSO算法，对粒子的初始化、惯性权重、学习因子和越界处理几个方面进行了改进。 （3）采用胶囊体和膨胀的ABBB包围盒相结合的碰撞检测方法，基于收敛速度更快、效率更高的双树RRT_Connect算法，提出了一种针对7-DOF喷涂机器人在三维空间作业的避障路径规划算法。首先，利用RRT_Connect算法对7-DOF喷涂机器人的末端进行了避障路径规划，再利用三角形法则对该路径进行优化，依次对从初始位姿到目标位姿的优化路径节点进行逆运动学问题求解，并对机器人各关节作碰撞检测，最终生成了机器人关节空间的无碰撞运动路径。 （4）以开源的机器人可视化仿真软件V-rep为平台。针对所规划的7-DOF喷涂机器人避障路径，利用V-rep软件模拟了该运动，以判断机器人机构是否与工作环境中障碍物发生碰撞，模拟验证了所规划路径的有效性。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 国内外研究现状

1.3.1 逆向运动学研究现状

1.3.2 避障方法研究现状

1.4 本文研究意义和研究内容

1.5 本章小结

第2章 7-DOF喷涂机器人运动学分析

2.1 引言

2.2 7-DOF机器人的构型

2.3 7-DOF喷涂机器人的模型

2.4 正运动学求解

2.4.1 基于D-H矩阵法的正运动学方程建立

2.4.2 机器人姿态表示

2.4.3 基于Robtic工具箱7-DOF机器人正运动学算例

2.5 基于蒙特卡罗法的7-DOF喷涂机器人工作空间分析

2.5.1 蒙特卡罗法

2.5.2 7-DOF喷涂机器人工作空间计算

2.6 本章小结

第3章 7-DOF喷涂机器人逆运动学求解及其优化

3.1 引言

3.2 解析法求逆运动学

3.2.1 7-DOF喷涂机器人求逆解

3.2.2 基于Matlab仿真的逆解计算

3.3 数值型逆解优化函数

3.4 粒子群算法

3.4.1 基本的粒子群算法

3.4.2 改进的粒子群算法

3.5 非线性方程组

3.5.1 非线性方程组的解法

3.5.2 最小二乘法

3.5.3 7-DOF喷涂机器人逆运动学求解

3.6 逆运动学PSO优化仿真

3.7 本章小结

第4章 基于RRT_Connect算法的避障路径规划

4.1 引言

4.2 包围体模型

4.2.1 AABB包围盒

4.2.2 OBB包围盒

4.2.3 包围球

4.3 快速搜索随机树算法

4.3.1 基本RRT算法

4.3.2 RRT_Connect算法

4.4 机器人避障路径规划

4.4.1 路径优化方法

4.4.2 碰撞检测方法

4.4.3 避障规划方法

4.5 喷涂机器人运动路径避障规划算例

4.5.1 RRT_Connect路径规划

4.5.2 逆运动学求解算例

4.6 本章小结

第5章 V-rep软件规划路径仿真

5.1 引言

5.2 V-rep机器人软件平台

5.3 机器人的仿真试验

5.3.1 7-DOF喷涂机器人模型导入

5.3.2 V-rep规划路径仿真

5.4 本章小结

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

致谢

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