基于粒子群算法的拆装机器人逆解研究

发布时间：2020-02-14 10:44

【摘要】：为了使连续生产线工件拆装实现自动化,设计了一种满足工业需求的关节型拆装机器人,并对其样机加工装配。采用D-H法将机器人的三维模型转化为连杆坐标系,通过坐标变换求出机器人的运动学正解。由于机器人结构中连杆关联的原因,采用常规的逆变换法和几何法不能求出逆解,因此提出以"目标点位姿误差最小"为目标函数,各关节转角极限为约束条件,利用粒子群优化算法,对机器人的逆解求最优解。最后,通过对机器人位姿点和连续运动轨迹进行逆解求解验证并对其运动过程仿真分析。实验结果表明该方法求逆解速度快、精度高,能够满足规划的路径,克服了传统方法仅适应于特殊构型机器人的逆解的不足,解决了该机器人的逆解求解。
【图文】：

装的需求，设计了一台拆装机器人代替人工工作。其生产线运动如下:工件(铜管)整齐地排列在直线式链条上的工装上，相邻工件的距离为40mm。当链条以10mm/s的速度匀速运行，铜管通过感应器进行加热焊接，焊接完毕机器人对其进行抓取，水平跟踪运行链条的同时把工件拆出放置在固定的位置。根据上述连续生产线的实际情况，需要设计满足工作要求和尺寸要求的拆装机器人，其机器人的工作半径为400mm。根据实际要求对其设计加工组装后得到拆装机器人的实物模型，如图1所示。机器人整体采用串联型连杆结构［2］，主要包括底座和腰部的旋转、大臂的摆动、小臂的摆动和手爪相对腕部的旋转，共4个自由度。底座与腰部之间的旋转为了满足工件抓取后回转放置功能;大臂安装在腰部的两侧，摆动实现末端的前后移动;小臂通过连杆机构安装在大臂的后端，摆动实现末端的上下移动;手爪安装在腕部，绕其转动满足在抓取工件后保证水平跟踪一段位姿;腕部是采用双平行四边形连杆结构控制运动过程中的水平性［3］。另外，各个驱动电机极限位置处都装有接近开关，在工作过程中碰到接近开关后急停保证工作的安全性。图1拆装机器人实物图2运动学分析2．1坐标系建立采用D-H法［4］对上述的拆装机器人建立坐标系，如图2所示。取机器人底座的中点为原点坐标系，其他的坐标系在相邻关节连接处，相邻的坐标系之间的关系用坐标变换矩阵来描述，最终得到末端点关于原点坐标系的矩阵变换。图2拆装机器人连杆坐标系根据连杆长度参数与坐标系得到拆装机器人的连杆变换参数，如表1所示。其中:αi－1表示连杆扭转角;ai－1表示连杆的长度;θi表示连杆之间的夹角;di表示连杆之间的距离;d1=138mm，d2=135mm，d3=160mm，d4=4

4个自由度。底座与腰部之间的旋转为了满足工件抓取后回转放置功能;大臂安装在腰部的两侧，摆动实现末端的前后移动;小臂通过连杆机构安装在大臂的后端，摆动实现末端的上下移动;手爪安装在腕部，绕其转动满足在抓取工件后保证水平跟踪一段位姿;腕部是采用双平行四边形连杆结构控制运动过程中的水平性［3］。另外，各个驱动电机极限位置处都装有接近开关，在工作过程中碰到接近开关后急停保证工作的安全性。图1拆装机器人实物图2运动学分析2．1坐标系建立采用D-H法［4］对上述的拆装机器人建立坐标系，如图2所示。取机器人底座的中点为原点坐标系，其他的坐标系在相邻关节连接处，，相邻的坐标系之间的关系用坐标变换矩阵来描述，最终得到末端点关于原点坐标系的矩阵变换。图2拆装机器人连杆坐标系根据连杆长度参数与坐标系得到拆装机器人的连杆变换参数，如表1所示。其中:αi－1表示连杆扭转角;ai－1表示连杆的长度;θi表示连杆之间的夹角;di表示连杆之间的距离;d1=138mm，d2=135mm，d3=160mm，d4=49．5mm，d5=19mm，d6=30mm。表1连杆坐标变换参数表连杆iαi－1ai－1θidi变量范围θi190°00d1－160°～160°20°d20010°～90°30°d300－150°～－45°490°d40d5－θ2－θ350°d600－120°～120°2．2运动学正解机器人的运动学正解指输入各关节的转动角度参数，得到末端的位姿。机器人连杆变换矩阵的通用表达式:i－1iT=cosθi－sinθicosαi－1sinθisinαi－1ai－1cosθisinθicosθicosαi－1－cosθisinαi－1ai－1sinθi0sinαi－1cosαi－1

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