移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、移動(dòng)機(jī)械臂是由可移動(dòng)的基座和可操作的機(jī)械臂組成的復(fù)雜菲線性系統(tǒng)。多自由度的機(jī)械臂和可移動(dòng)的基座讓移動(dòng)機(jī)械臂兼具移動(dòng)性和靈活性的雙重優(yōu)點(diǎn)，使得其在家庭服務(wù)，智能倉(cāng)儲(chǔ)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂理論和應(yīng)用的研究對(duì)于提高生活質(zhì)量和促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，近年來(lái)已成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)范疇中的若干問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括:移動(dòng)機(jī)械臂基座的路徑規(guī)劃、六自由度機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題和機(jī)械

2、臂避障軌跡規(guī)劃的優(yōu)化問(wèn)題。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
　　(1)針對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)法(APF)容易產(chǎn)生局部極小值和路徑規(guī)劃效率不高的問(wèn)題，提出一種基于切向量和粒子群優(yōu)化的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法(PSO-TVAPF)。首先，迭代的計(jì)算的機(jī)器人當(dāng)前位置與目標(biāo)之間障礙物的切向量，并通過(guò)一定的篩選策略選擇最優(yōu)切向量;然后，將所得切向量與傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法中的引力和斥力按照某種比例進(jìn)行合成，形成機(jī)器人路徑規(guī)劃的驅(qū)動(dòng)力，切向量的引入，對(duì)于避免局部極小

3、值和改善路徑規(guī)劃質(zhì)量有著顯著的作用;最后，為了進(jìn)一步提高算法的魯棒性和路徑規(guī)劃效率，使用粒子群算法對(duì)基于切向量的人工勢(shì)場(chǎng)法(TVAPF)進(jìn)行優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)表明本文提出的基于切向量和粒子群優(yōu)化的人工勢(shì)場(chǎng)法能夠有效的避免局部極小值和大幅度的縮短最終路徑長(zhǎng)度。
　　(2)提出一種基于極限學(xué)習(xí)機(jī)和順序變異的遺傳算法優(yōu)化的計(jì)算六自由度機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的智能算法(ELM-SGA)。算法的基本思路是先利用極限學(xué)習(xí)機(jī)求出一個(gè)精度不高的初

4、始逆解，然后利用基于順序變異的遺傳算法優(yōu)化初始逆解得到高精度解。ELM-SGA算法的提出受到基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法求逆解的混合智能算法(Hybrid)的啟發(fā)，在保證與原算法達(dá)到同等精度的情況下最大限度的提高算法的時(shí)間效率，這里的時(shí)間效率包括兩個(gè)方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間和計(jì)算逆解的時(shí)間。極限學(xué)習(xí)機(jī)隨機(jī)初始化輸入層權(quán)值和隱藏偏置能夠最大限度提高訓(xùn)練速度。與傳統(tǒng)的遺傳算法的隨機(jī)變異不同，本文提出一種順序變異的方式對(duì)初步逆解進(jìn)行優(yōu)化，這能夠有效

5、的提高遺傳算法的局部搜索能力，提高算法收斂速度。仿真實(shí)驗(yàn)和MT-ARM機(jī)械臂的驗(yàn)證也證實(shí)了本文提出的算法在保證高精度的前提下能有效提高求機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的時(shí)間效率。
　　(3)針對(duì)機(jī)械臂的避障軌跡規(guī)劃問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法，然后利用本文提出的逆解算法ELM-SGA對(duì)軌跡上的點(diǎn)進(jìn)行求逆，進(jìn)行碰撞檢測(cè)，直至得到安全軌跡為止，最后利用粒子群算法以末端軌跡長(zhǎng)度和機(jī)械臂能耗為適應(yīng)度函數(shù)對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的人工勢(shì)