六关节喷涂机器人的位姿规划算法研究

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经过半个多世纪的发展,工业机器人已经广泛应用在机械制造、化工轻工、食品医疗等各个工业领域,作为自动化解决方案的核心装备,其在生成效率及产品质量控制方面具有人工所无法比拟的优越性。在经济新形势下,利用机器人代替人工进行自动涂装作业是我国制造业转型升级的迫切需求。而在机器人自动喷涂过程中,机器人末端工具的位姿变化对喷涂机器人的加工质量具有重要影响。本文以六关节直接示教喷涂机器人为研究对象,针对其操作特点和工艺要求,着重对机器人末端执行器的位姿规划及其优化算法进行了研究。具体内容包括:机器人的运动学建模、笛卡尔空间位置规划以及姿态规划。针对直接示教轨迹的抖动问题,提出了一种基于曲线拟合的优化算法,实现了直接示教轨迹的位姿平滑优化。首先根据所研究的六关节喷涂机器人的本体结构,利用D-H参数法建立了其运动学模型,并推导了该机器人的正逆运动学问题求解方法。最后利用MATLAB机器人工具箱对所给出的运动学正逆解方法进行了验证。对于机器人笛卡尔空间位置规划问题,讨论了机器人末端的空间直线、圆弧以及NURBS曲线插补算法,并重点对NURBS曲线插补进行了分析。基于S型加减速模型,对机器人末端轨迹进行了速度规划,给出了插补余量处理方法。对于机器人笛卡尔空间姿态规划,首先分析了常用的机器人姿态描述方式。基于单位四元数姿态表示,讨论了姿态线性插值方法。针对机器人喷涂过程中的多姿态规划问题,引入了四元数曲线对姿态进行插值,并给出了该曲线的插补规划方法。为了实现机器人末端执行器姿态角速度控制,提出了一种基于割线法的四元数曲线插补方法。围绕六关节直接示教喷涂机器人的应用场合和结构特点,讨论了该机器人的位姿规划方案,给出了一种基于等比例步长的机器人末端工具位姿同步方法。最后,根据不同的轨迹类型对所给出的插补规划方法进行了仿真验证。对于直接示教轨迹的抖动问题,提出了一种基于曲线拟合的直接示教轨迹平滑优化算法。首先对示教数据进行重采样,然后分别对示教轨迹中的位姿信息进行拟合,并根据原轨迹中的速度规律对曲线进行插补,获得优化轨迹。通过对优化前后的轨迹进行分析对比,验证了算法的正确性。
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