基于ROS的机械臂建模与运动规划.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月南京工程学院学报(自然科学版)().:./.投稿网址:/.基于 的机械臂建模与运动规划刁 慧陈 桂马俊哲许艺严(南京工程学院自动化学院 江苏 南京)摘 要:在.上利用 搭建多关节机械臂运动规划仿真平台.在 中构建机器臂实体模型并以 格式写入 文件通过 提供的相关 接口配置机器人运动控制文件基于快速搜索随机树及其改进的搜索随机树算法采用 编程结合 边界箱碰撞检测及直接调用 对算法库两种方式进行障碍物路径规划仿真对比结果表明:库能简化规划过程以及改进的搜索随机树算法双向引导策略利用 框架下的 接口在 界面实现了笛卡尔空间中机械臂的直线与圆弧插补轨迹相对平滑.关键词:自由度机械
2、臂运动规划中图分类号:收稿日期:作者简介:刁慧硕士研究生研究方向为机器人技术.:.引文格式:刁慧陈桂马俊哲等.基于 的机械臂建模与运动规划.南京工程学院学报(自然科学版)():.机械臂在工业生产任务中可以执行装卸载、喷漆和铸造等工作具有可编程、通用化以及拟人化特性.传统机械臂控制系统进行轨迹规划靠人工示教没有自主感知、自主规划的功能.目前对已有工业机器人的具体应用定制了专门的软硬件开发平台但存在成本较高、开源性差、建模困难、代码可移植性低等诸多限制.因此机械臂的实时控制问题成为国内外研究热点.在先进制造、云计算、通信等领域的持续推动下机器人从普通的多关节机械操控装置向互联网、智能化、交互式等方
3、向发展.提高加工代码的复用性、实现系统的模块化和兼容性已成为研究热点.机器人操作系统()作为一个分布式、元级开源操作系统提供库和工具来帮第 卷第 期刁 慧等:基于 的机械臂建模与运动规划助软件开发人员创建机器人应用程序能够很好地满足机械臂相关研究的需求.机械臂建模及运动学分析.建立机械臂模型本文研究对象为 自由度的 机器人后 旋转轴相交于一点满足 个关节轴相交且平行的充分条件可以应用 准则进行简化.在 建立机械臂的实体模型如图 所示.图 机械臂实体模型.基于改进的 参数求解将 轴串联机械臂看作链式结构其连杆坐标系如图 所示.图 连杆坐标系()参数法可用于任何构型的机械臂而与机械臂的结构顺序和复
4、杂程度无关.机械臂 坐标参数如表 所示.表 机械臂 坐标参数连杆/.正运动学分析正运动学问题是通过坐标变换从基坐标中依次获得末端执行器姿态的过程这是实现轨迹规划和控制的基础.已知机械臂相邻两关节上的连杆坐标系的相对位置和旋转关系可用齐次变换矩阵来描述链路 和 之间的平移和旋转:()式中:为连杆长度 为连杆转角为连杆偏距为关节角.按照从低序到高序的相邻坐标系之间的变换关系矩阵依次相乘 可以求得末端坐标变 换矩阵:()式中:为机器人末端相对于基坐标系的姿态向量、为机器人末端相对于基坐标系的位置向量.逆运动学分析常见的数值法是在 求解器中采用牛顿迭代的方式来计算关节角但计算速度较慢一次只能得一解且求
5、解成功率较低 求解器存在积累误差的问题在机械臂进行重复运动时关节空间可能会出现瞬时跳跃现象危险性大大增加.因南京工程学院学报(自然科学版)年 月此选用 中基于解析法的求解器它可以解析复杂运动学链的运动学方程在求得所有逆解时保证了每次求解的一致性.使用 求逆解须知道机械臂的构型机械臂构型如图 所示.图 机械臂构型在实 际 情 况 中 利 用 分 离 变 量 法 求 得().在式()两边分别左乘()展开方程两边的矩阵利用对应元素相等即可求出 同理可得.求得关节角共有 组解需要根据转动角的具体数值进行合理取舍以避免机器人运行到奇异位姿而损害机械结构.仿真环境搭建 能够实现仿真、半物理仿真和协调行为的
6、全硬件试验之间的无缝过渡具有跨平台、多语言、代码复用等优点实现了控制代码的群组设计和机器系统的模块化设计有效提高了机器人设计效率.文件获取统 一 机 器 人 描 述 格 式()是描述 操作系统中机械臂的形状和关节连接的抽象模型.它是一个由树形结构表示的 格式文档在添加杆和关节的过程中确定链的顺序以及关节之间的平移和旋转.该方法的优点是完全根据需要确定关节布局缺点是需要指定关节坐标系和旋转角度效率较低.可视化平台 集成了 接口完成 数据的可视化同时显示机器人模型、地图、坐标变换、点云、路径等信息但是需要一个模拟器 来实现基本的模拟功能.将 文件导入 中完成机器人模型的运动驱动设置并规划随机点.运
7、动配置 是 中易于使用的机械臂集成化开发工具包含运动规划、操作、感知、运动学、碰撞检测、控制和导航等 库.中的配置助手 插件能够直接调用 文件生成运动规划功能包.基于 平台的机械臂控制系统软件架构如图 所示.图 机械臂控制系统软件架构第 卷第 期刁 慧等:基于 的机械臂建模与运动规划 机械臂运动规划机器人的运动规划包括路径规划和轨迹规划两部分是在给定的路径端点之间插入用于控制的中间点序列从而实现沿给定轨迹的平稳运动.路径规划路径规划是在某种特定约束条件下使用适当的算法搜索最佳运动路径.常见的人工势场法、蚁群算法、算法等更多地适用于二维地图中的路径规划搜索随机树()算法能够解决机械臂在高维空间中
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