关键词：冗余自由度机械臂;;模块化关节;;运动规划;;快速搜索随机树;;机器人操作系统
摘 要：近年来,电子商务的迅猛发展,给传统的仓储物流业带来了新的需求和重大挑战,提升仓储物流设备智能化程度,提高设备作业效率,实现人机安全协同作业,对于推进传统仓储物流业产业升级具有十分重大的现实意义。突出的操作能力,使机械臂被大量应用于仓储物流作业中的分拣、搬运等环节。但由于传统机械臂功能单一,对于复杂作业环境适应性差,因此只能在工作场景相对固定的环境中作业,逐渐难以满足仓储物流环境中高效率、高强度和安全性的工作要求。针对上述问题,本文采用模块化设计思想,对冗余自由度机械臂进行构型分析及结构设计。在此基础上,对所设计的冗余自由度机械臂进行正逆运动学分析。最后,采用改进的快速搜索随机树算法针对机械臂在复杂作业环境中的安全运动规划问题进行研究分析。本文具体研究内容如下:(1)对仓储物流环境作业特点进行分析,根据仓储物流作业环境要求,结合现有研究成果,对机械臂的构型以及设计参数进行分析,并以此为依据,对机械臂关节模块进行结构设计及关键零部件选型。在完成的结构设计基础上,采用有限元方法对其进行强度校核,确定机械臂中机械零部件可满足使用要求。(2)对机械臂的运动学进行建模、分析。使用D-H方法对所设计机械臂进行正向运动学建模,并引入参数化臂形角,获得在臂形角约束下机械臂运动学逆解的解析表达。在所建立的运动学模型基础上,使用蒙特卡洛法对机械臂的工作空间进行仿真分析。(3)为提高机械臂在复杂作业环境下的安全性,对基于构型空间的机械臂避障运动规划问题进行研究、分析。采用目标倾向采样策略以及启发式估价函数对基本快速搜索随机树算法进行改进,以提升算法的规划效率,减少规划时间。在此基础上,在Matlab中构建含有不同障碍物的多种规划环境,验证了改进方法的有效性。(4)对机械臂样机进行加工、装配,并搭建测试平台,对机械臂的关节模块进行负载性能测试,测试结果证明了实际得到的机械臂关节模块输出力矩满足设计要求。在机器人操作系统中搭建本文所设计机械臂的可视化仿真模型,并联合物理仿真引擎Gazebo,对改进RRT算法在高维构型空间中的规划效果进行仿真,仿真得到效果验证了改进方法在高维构型空间中同样具有有效性。
内 容：原文可通过湖北省科技信息共享服务平台（http://www.hbstl.org.cn)获取