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串联机械臂的设计与轨迹优化

安立雄  
【摘要】:随着“中国制造2025”的不断推进,工业发展的脚步将会越来越快,在这个过程中,工业机械臂占据着不可动摇的地位,工业机械臂的使用率直接影响着工业发展的速度,所以对机械臂的研究要放在重中之重。本文将串联机械臂的轨迹优化作为研究对象,希望机械臂能够平稳、快速地完成预期任务。本文初步设计了一台六自由度串联机械臂,使用多目标遗传算法对该机械臂的主要参数做优化分析,在保证强度的前提下,尽可能降低整体质量。使用优化后的参数重新建立三维模型,并对其做运动学分析,建立该串联机械臂的正逆运动学模型,然后仿真验证所得正逆运动学模型的正确性。其次,研究了机械臂的轨迹规划方法,并使用五次多项式插值对抓取和放置任务进行了路径规划,结果表明其角速度和角加速度曲线均平滑连续。为了给驱动电机选型提供依据,对该机械臂进行了动力学分析,研究机械臂运动过程中力矩与运动的关系,确定了各轴驱动电机的型号。最后,研究了一种基于自适应调节的遗传算法与联合仿真的方法对运动轨迹进行优化。先使用联合仿真的方法,以误差最小则最优的原则,对所有可行路径进行筛选,得到误差最小的两组待选路径。将两组路径下电机驱动力矩的大小进行对比,将力矩最小的一组路径作为预设路径,使用遗传算法,以时间最优为目标,对运动轨迹进行优化,得到一组最优解。但由于该最优解的角加速度变化较大,考虑到可能是求解过程中出现了局部最优,所以加入自适应调节机制对遗传算法进行改进,求得一组最优解,结果表明角加速度的变化有明显改善,且运动时间明显缩短,该组解可以保证机械臂快速平稳运行。


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