放射性容器退役拆解中机械臂轨迹规划与跟踪研究

摘要

核退役拆解任务中机械臂的应用受到越来越多的关注。在工作强度大、环境复杂、辐射危害大、拆解工艺复杂等特点下，机械臂任务空间的轨迹规划问题对放射性容器退役拆解任务中机械臂高效、稳定、精确平滑地运行有重要意义。本课题以放射性容器热切割退役拆解任务为研究背景，以MOTOMAN-MH6S型六自由度串联机械臂为研究对象，在机械臂任务空间采样获得描述切割任务关键位姿点，通过研究适用于MH6S类型机械臂的姿态规划算法和位置规划算法，规划出满足切割任务工艺要求的机械臂运行轨迹，并且确保获取机械臂运动平滑、平稳，位姿准确的轨迹时间函数xe(t)；通过旋量理论建立任务空间和关节空间的映射关系，将任务空间中的轨迹时间函数xe(t)以能量最优条件映射至关节空间，进一步研究给定参考轨迹输入的机械臂轨迹跟踪控制方法。整个方案对提高机械臂运行的稳定性、系统的可靠性、工作效率有重要意义。本文重点研究MH6S型六自由度机械臂任务空间中轨迹的位置规划、姿态规划方法、以及从任务空间到关节空间映射关系，再者，以关节空间中的轨迹时间函数θe(t)为机械臂给定参考输入，进行轨迹跟踪控制算法验证，最后在MH6S机械臂平台上构建典型实验进行验证。
　　本论文中，在任务空间中通过三次非均匀 B样条插值算法对具有连续路径点约束条件的轨迹进行位置规划；利用单位四元数三次多项式样条插值算法实现对多姿态约束条件轨迹的位姿规划，从而实现机械臂在任务空间中连续路径点约束条件的位姿规划；利用旋量的方法求解任务空间中机械臂的姿态和关节空间中机械臂位姿的映射关系；利用五次样条插值算法对关节空间中的连续位姿进行规划。轨迹规划是机械臂轨迹跟踪的基础，将规划好的轨迹时间律作为控制系统的参考输入，在采用拉格朗日公式建立的动力学模型上，利用重力补偿的PD控制算法实现机械臂系统对参考轨迹跟踪验证。
　　本文在 MATLAB/Visual Studio软件上对任务空间中连续路径点约束条件的机械臂给定任务描述进行轨迹规划，并结合旋量方法将任务空间中规划的轨迹时间函数映射到关节空间，在关节空间中利用五次样条插值实现对轨迹平滑连续的规划。实验结果表明，本文提出的规划方法对任务空间中连续路径点约束条件的轨迹规划切实可行，为机械臂离线编程奠定基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容

2 需求分析及研究方案

2.1 课题需求分析

2.2 课题研究方案

3 MH6S机械臂运动学模型建立

3.1 D-H参数运动学建模原理

3.2 MH6S旋量法运动学建模原理

3.3 本章小结

4 任务空间中机械臂的轨迹规划

4.1 任务空间中基于四元数的机械臂姿态规划

4.2 任务空间中三次非均匀B样条插值算法位置规划

4.3 本章小结

5 关节空间机械臂的最优轨迹规划

5.1 能量最优轨迹规划

5.2 机械臂关节空间的轨迹规划

5.3 本章小结

6 机械臂轨迹跟踪控制方法研究与分析

6.1 MH6S串联机械臂动力学模型建立

6.2 基于重力补偿PD控制算法的轨迹跟踪研究

6.3 本章小结

7 任务级机械臂轨迹规划系统实现

7.1 机械臂轨迹规划系统平台

7.2 基于安川MH6S平台的切割任务轨迹规划验证

7.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

学术论文

参与项目