多自由度智能運輸裝置動作路徑規劃算法

施嘉濠 倪 虹 羅漢杰 竺佳杰 孫濱鑫

(杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 〗310018)

0 引言

放眼全球，工業機器人發展普遍始于20世紀60年代，美國、日本、德國的工業機器人發展迅速。我國雖然起步較晚，但是近年來發展勢頭迅猛[1]。如今越來越復雜的工作環境使機器人必須設計有多連桿，多自由度的復雜結構。這對機器人的運動規劃提出了更高的要求。機器人運動學分析是實現機器人運動控制與軌跡規劃的基礎，其中正逆運動學分析是最基本的問題[2]。而 D-H參數法[3-4]是常用的分析方法。通過D-H參數法，可以對機械臂的運動進行十分細致地研究，為機械臂的結構優化打下基礎。

1 運輸裝置的結構及控制

多自由度智能運輸裝置是一個具有RFID遠程控制，液晶屏顯示監控的智能小車和機械手一體化協同工作的裝置，其執行機構控制系統由4個部分組成：智能小車控制系統、垂直升降平臺控制系統、機械臂控制系統和遠程控制系統，配合RFID無線識別系統，液晶屏顯示監控系統。其中執行機構控制電路部分主要由尋跡模塊、直流電機驅動模塊、光電信號采集模塊、滾珠絲桿電機驅動模塊、Arduino主控制器等電路組成。

該智能運輸裝置從結構上可以分為運輸裝置和機械臂2部分。其中，手臂分為4個關節，每個關節都由LDX-218舵機驅動。

2 路徑規劃算法的實現及優化

2.1 運動力學分析

對搭載于小車上的機械臂通過D-H方法建立運動學模型，當機器人末端位姿已知時，通過末端位姿計算出滿足期望的關節角度，這便是逆運動學的求解。

圖1 機體的相對運動關系及其結構

2.2 路徑規劃算法的實現

記末端安裝有舵機1的連桿長度為l1，同理得l2，l3。舵機旋轉角度記為θ0，θ1，θ2，θ3，θ4。在已知目標點M(x,y,z)的情況下，若機械臂可達工作點，則

(1)

此時機械臂與目標點同一平面內，三維空間中的路徑規劃問題變為X-Z平面內的四連桿路徑規劃問題。在X-Z平面確定各個位置的坐標，夾持器工作位置設M′，小車頂板中央點設為坐標原點O′，機械臂旋轉中心坐標記為S′。

(2)

其中，x軸坐標p為固定值，z軸坐標q為變量。取一點P使

|M′P|≤l1+l2

(3)

圖2 平面四連桿坐標系示意圖

(4)

與l1=l2=l3聯立得

(5)

分析可知，在X-Z平面內，以S′為圓心，以l1+l2+l3為半徑的區域內，對任意一點異于點S′的點M′，通過逆運動學分析尋找到至少一組解，當舵機旋轉相應的角度時，機械臂可以運動至目標點M′。圓2方程和(4)聯立，得式(6)

(6)

將點P代入圓1方程得

(m-p)2+(n-q)2=l1

(7)

由式(6)得m取值范圍，將其與(7)進行聯立可得到n的值。p點的取值范圍隨之解出。

3 結語

本文研究了多自由度智能運輸裝置的結構設計，該運輸裝置結構緊湊，應用前景廣泛。通過DH參數法對機械臂的運動學模型和參數進行分析，得出了基于DH算法的路徑規劃方法。通過使智能運輸路徑規劃與機械臂路徑規劃算法的配合，可以使運輸機構運動的同時保證機械臂完成預定操作，該研究對多自由度結構的軌跡規劃具有重要的參考意義。