【正文】 planning problem.[key words] motion analysis,work space,trajectory planning,algorithm research 32 目錄摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 5 第一節(jié) 研究背景及意義 5 第二節(jié) 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6 一、國內(nèi)現(xiàn)狀 6 二、國外現(xiàn)狀 6 第二章 機(jī)械臂的運(yùn)動分析 8 第一節(jié) 機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)分析 8 第二節(jié) 機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)求解 10 第三章 五軸機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與仿真 11 第一節(jié) 軌跡規(guī)劃一般問題 11 第二節(jié) 關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃 12 一、三次多項(xiàng)式插值法 12 二、五次多項(xiàng)式插值 15 第三節(jié) 笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃 17 一、空間直線軌跡規(guī)劃 18 二、空間圓弧的軌跡規(guī)劃 21 三、一般空間軌跡規(guī)劃 25 第四章 總結(jié)與展望 30 參考文獻(xiàn) 31 第一章 緒論第一節(jié) 研究背景及意義 隨著宇宙空間的開發(fā)，70 年代美國提出了在宇宙空間利用機(jī)器人系統(tǒng)的概念，并且在航天飛機(jī)上實(shí)施。當(dāng)初的空間機(jī)器人是由航天飛機(jī)艙內(nèi)的宇航員通過電視畫面操縱的。隨著空間技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使得未來空間操作任務(wù)急劇增加，空間站的建立、維修，衛(wèi)星的回收、釋放等工作會越來越多。如果所有這些工作都依靠宇航員來完成，其成本將十分高昂，也是十分危險(xiǎn)的，因?yàn)閻毫拥奶窄h(huán)境會給宇航員的空間作業(yè)帶來巨大的威脅。宇航員的艙外作業(yè)需要龐大而復(fù)雜的環(huán)境控制系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、物質(zhì)供給系統(tǒng)、救生系統(tǒng)等的支持，這些系統(tǒng)不但具有很高的技術(shù)難度，而且成本巨大。用空間機(jī)器人代替宇航員進(jìn)行太空作業(yè)不僅可以使宇航員避免在惡劣太空環(huán)境中工作時可能受到的傷害，還可以降低成本，提高空間探索的效益?？臻g機(jī)械臂是空間機(jī)器人的一種，已被考慮在未來的空間活動中承擔(dān)大型空間站的在軌安裝及對失效飛行器的的捕捉與維修，土壤和巖石的取樣等；并期望其在無人狀態(tài)下承擔(dān)未來空間實(shí)驗(yàn)室或工廠的日常工作。根據(jù)空間作業(yè)的需要，空間機(jī)器人上一般都安裝了一個或多個模仿人手臂的多自由度機(jī)器臂。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與國防工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對航天器的需求量日益增加，對其能力的要求日臻提高。特別是空間站在軌服務(wù)、深空探測等空間技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對于空間機(jī)械臂技術(shù)的需求越來越迫切，而且對其工作能力和性能要求越來越高，對其安全性、壽命等方面也提出了越來越高的要求。此外，受國外在高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)限制與封鎖，使得我們必須堅(jiān)持自力更生、獨(dú)立自主的高技術(shù)研發(fā)道路，堅(jiān)持自主創(chuàng)新的思想，加速并加強(qiáng)空間機(jī)械臂技術(shù)的研發(fā)工作[1]。將機(jī)器人用于空間服務(wù)，一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃研究是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支,是機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。對已知靜態(tài)環(huán)境中機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究已經(jīng)進(jìn)行了將近 40 年，路徑規(guī)劃問題的研究有很大的價值。多年的研究工作在取得進(jìn)展的同時，愈加證明了路徑規(guī)劃是一個復(fù)雜的難題。路徑規(guī)劃算法的計(jì)算量取決于任務(wù)、環(huán)境的復(fù)雜性以及對規(guī)劃路徑質(zhì)量的要求，一個好的路徑規(guī)劃算法應(yīng)該兼顧對規(guī)劃速度和路徑質(zhì)量的期望。隨著研究的深入，各種新的路徑規(guī)劃方法層出不窮，使路徑規(guī)劃研究一直活躍在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域。 目前國內(nèi)對空間機(jī)械臂研究還處于起步階段，因此開展空間機(jī)械臂相關(guān)領(lǐng)域的研究將極大促進(jìn)我國空間科學(xué)試驗(yàn)、空間維護(hù)與建設(shè)、深空探測等空間技術(shù)的發(fā)展。本論文根據(jù)課題的技術(shù)要求，將空間機(jī)械臂路徑規(guī)劃作為切入點(diǎn)，研究路徑規(guī)劃問題，其研究成果具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。第二節(jié) 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀一、國內(nèi)現(xiàn)狀我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；但總的來看，我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還是有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得不少成果。其中最突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、只能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大。二、國外現(xiàn)狀美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱“機(jī)器人王國”的日本起步至少早五六了年。1971年，通用汽車公司又第一次用機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)焊。西歐時僅次于日美機(jī)器人的生產(chǎn)基地，也是日美機(jī)器人的重要市場。早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就進(jìn)入英國市場。接著，英國Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三。德國對于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人替代普通人的勞動。同時提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移目標(biāo)。1954年：美國人戴沃爾制造了世界第一臺可編程的機(jī)械手。1959年：戴沃爾與美國發(fā)明家英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。1962年：美國AFM公司生產(chǎn)出萬能搬運(yùn)機(jī)器人，與Unimation公司生產(chǎn)的萬能伙伴機(jī)器人一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人。1967年：日本川崎重工公司與豐田公司分別從美國購買了工業(yè)機(jī)器人Unimat和Verstran的生產(chǎn)許可，開始對機(jī)器人的研究和制造。1968年：美國斯坦福研究所公布他們研制的機(jī)器人Shakey。1973年：世界上機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)第一次攜手合作，誕生了機(jī)器人T3。1979年：日本山梨大學(xué)發(fā)明了平面關(guān)節(jié)機(jī)器人SCARA。1984年：英格伯格在此推出機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院為病人送飯送藥和送郵件。1996年：本田公司推出仿人型機(jī)器人P2，雙足行走機(jī)器人的研究達(dá)到了一個新的高度。2002年：美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roombar，為世界上商業(yè)化最成功的家用機(jī)器人。2006年：微軟公司推出Microsoft Robitics Studio機(jī)器人，從此機(jī)器人模塊化平臺同一化的趨勢越來越明顯。在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面，工業(yè)機(jī)器人有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感器裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。第二章 機(jī)械臂的運(yùn)動分析機(jī)械臂的運(yùn)動是其軌跡出現(xiàn)的直接原因。所以軌跡規(guī)劃的前提是機(jī)械臂的運(yùn)動分析[1]。本文通過對機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行求解，分析兩者的區(qū)別和聯(lián)系。通過對五軸機(jī)械臂關(guān)于坐標(biāo)系幾何關(guān)系，針對常見軌跡規(guī)劃方案中起始和終止階段進(jìn)行研究，分析研究結(jié)果。第一節(jié) 機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)分析 機(jī)械臂從關(guān)節(jié)空間到末端笛卡爾空間的變換是正向運(yùn)動學(xué)描述。由坐標(biāo)系中已知的各個關(guān)節(jié)角度，求解機(jī)械臂末端相對應(yīng)于原點(diǎn)坐標(biāo)系的位置和位姿。設(shè)矩陣A表示機(jī)械臂連桿的齊次變換： (21)由于機(jī)械臂全是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。對于文