挖掘機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真研究

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1、分類號(hào)：TP24學(xué)校代碼：10109密級(jí)：公開太原科技大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)型）學(xué)位論文題目：挖掘機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真研究英文題目：ResearchonTrajectoryPlanningandSimulationofExcavatorRobot研究生姓名：林貞國(guó)導(dǎo)師姓名及職稱：李海虹副教授培養(yǎng)單位：機(jī)械工程學(xué)院學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程論文提交日期：2016年4月論文答辯日期：2016年6月10日答辯委員會(huì)主席：楊兆建教授論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除

2、了文中特別加標(biāo)法和致謝的地方外，論文中不包一含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果。與我同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本聲明產(chǎn)生的法律后果由本人承擔(dān)。＾友？旬論文作者簽名：祠曰期；中文摘要中文摘要為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人的自主挖掘功能，本文對(duì)挖掘機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃方法的研究。首先在D-H坐標(biāo)系下建立了挖掘機(jī)器人工作裝置簡(jiǎn)圖，完成正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了位姿空間與關(guān)節(jié)空間的相互轉(zhuǎn)換。結(jié)合挖掘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)挖掘機(jī)器人工作空間范圍進(jìn)行仿真分析，選取合理的作業(yè)區(qū)域，設(shè)定挖掘關(guān)

3、鍵點(diǎn)，通過空間樣條曲線插值法獲得挖掘機(jī)器人的空間挖掘路徑。通過機(jī)器人工具箱（RoboticToolbox）進(jìn)行軌跡規(guī)劃問題的研究，建立挖掘機(jī)器人的連桿機(jī)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、完成笛卡爾空間路徑仿真以及點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃仿真，針對(duì)該軌跡規(guī)劃方法僅能滿足點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的特點(diǎn)，進(jìn)一步通過Matlab軟件完成關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃算法編程，進(jìn)行軌跡規(guī)劃仿真研究。為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人連續(xù)路徑下的挖掘過程規(guī)劃，在關(guān)節(jié)空間提出了2類軌跡規(guī)劃算法，即：關(guān)節(jié)空間分段多項(xiàng)式插值法，包括3-3-5-3-3、3-3-3-3-3、3-3-3-3-5分段多項(xiàng)式

4、插值法；以及關(guān)節(jié)空間函數(shù)擬合法，包括n次多項(xiàng)式擬合法及傅里葉級(jí)數(shù)擬合法，并對(duì)這些軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行仿真，對(duì)比說明各種軌跡規(guī)劃方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)。選擇分段多項(xiàng)式3-3-5-3-3軌跡規(guī)劃方法，結(jié)合工作裝置的動(dòng)力學(xué)特性要求，提出了一種新的分段可變階多項(xiàng)式軌跡優(yōu)化方法，對(duì)于軌跡規(guī)劃結(jié)果中加速度階躍較大、超出約束值的軌跡多項(xiàng)式段，通過各關(guān)節(jié)加速度的約束值，逆向求解修正多項(xiàng)式的最高階次數(shù)，實(shí)現(xiàn)二次規(guī)劃，并進(jìn)行軌跡規(guī)劃仿真，滿足了工作裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性要求。對(duì)于修正前后得到的軌跡規(guī)劃結(jié)果，通過正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)將關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃結(jié)果映射到

5、笛卡爾空間中鏟斗的空間路徑，通過與預(yù)先規(guī)劃的挖掘路徑進(jìn)行比較，得到修正后相比修正前的路徑與預(yù)先規(guī)劃的路徑誤差更小，精確度更高。本文通過優(yōu)化得到的分段可變階多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法，能夠完成挖掘機(jī)器人連續(xù)路徑下的工作任務(wù)、工作過程平穩(wěn)連續(xù)、工作精度較高、滿足工作裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性要求。關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)器人；軌跡規(guī)劃；機(jī)器人工具箱；關(guān)節(jié)空間插值法；關(guān)節(jié)空間擬合法；分段可變階多項(xiàng)式IABSTRACTABSTRACTToachieveautonomousminingfunctionofexcavatorrobot,thispaperresearc

6、hontheexcavatorrobotoftrajectoryplanningmethod.FirstofallintheD-Hcoordinatesystemestablishedsketchofworkingdeviceofexcavatorrobot,completedkinematicsandinversekinematicsanalysis,realizesthemutualconversionoftheposespaceandjointspace.Combinedwiththestructureparameterso

7、faexcavatorrobot,conductexcavatorrobotworkspacesimulationanalysis,selectingoperatingregion,settingupreasonableminingkeypoints,spacesplinecurveinterpolationmethodwasusedtoobtainaexcavatorrobotspaceminingpath.Throughtheroboticstoolboxfortrajectoryplanningproblemresearch

8、,establishthelinkagemodeloftheexcavatorrobot.realizedtheforwardandinversekinematicssimulation,completepathsimulationinCartes