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液压驱动机械臂的轨迹规划

'液压驱动机械臂的轨迹规划'
第 25卷第 2期 2009年 4月 机械设计与研究 M achine Design and Research Vo.l 25No . 2 Apr . , 2009 收稿日期:2008- 12- 02 文章编号: 1006 -2343( 2009) 02-047-05 液压驱动机械臂的轨迹规划 杨 政 1, 尚建忠 1, 王 彪 2, 唐 力1, 梁科山1, 苟明康2 ( 1 . 国防科技大学 机电工程与自动化学院, 长沙 410073 , E-mai: l yangzheng@ nud. t edu . cn ; 2 . 总装工程兵科研一所, 无锡 214035) 摘 要: 提出了一种基于液压驱动的机械臂轨迹规划方法。在对 n自由度机械臂进行基于 C空间的无碰 撞轨迹规划后, 根据液压驱动机械臂的特性, 并在对机械臂运用 ADM S进行运动求逆的基础上, 采用抛物线过 渡线性插值算法对液压缸进行了运动优化, 得到了基于无碰撞的优化轨迹。仿真及实装试验结果表明, 所规划 的运动轨迹符合各项性能指标, 同时也验证此方法是有效的。 关键词: 液压驱动; 机械臂; 无碰撞; 轨迹规划 中图分类号:TH137. 51 ; TH213 . 1; TP241. 3 文献标识码: A Study on Trajectory Planning for Hydraulic- DriveM anipulator YANG Zheng 1, SHANG Jian-zhong 1, WANG Biao2, TANG Li 1, LIANG Ke -shan 1, GOU M ing-kang 2 ( 1. College ofM echatronicsEngineering andAutomationN ationalUniversity ofDefense Technology , Changsha 410073, China ; 2. The F irstEngineersScientificResearch lnstitute of the GeneralAr ma mentsDepartment , Wux,i 214035, China) Abstract : A method for trajectory planning ofhydraulic -drivemanipulator is put for ward. V ia collision -freemotion planning of the manipulator based on C-Space , and according to the characteristic of hydraulic manipulator , so me key points used for the motion opti m ization ofhydraulic cylinder are obtained , based on the solutions co mputed byADAM S/ view for inverse kinematics of themanipulator , the opti m ization trajectory is achieved after themotion opti m ization ofhy - draulic cylinder via the algorithm of parabolic interpolation. Finally , the results of the si mulation and the test indicated that the property of the motion trajectory meets allof the targets and the validity of themethod is verified . Key words :hydraulic -drive ; manipulator ;collision-free ;trajectory planning 机械臂是具有传动执行装置的机械, 它由手臂、 关节和 末端执行装置构成, 组合为一个互相连结和互相依赖的运动 机构 [ 1]。工程中采用液压驱动的机械臂, 如挖掘机械, 往往 由于作业内容的不确定性, 大多采用人工操纵机械臂的方法 进行作业。但是对于作业内容确定且有一定装配精度要求 的机械臂, 如定点吊运机械, 如果采用人工操纵, 不但耗费 人力物力和时间, 而且往往达不到要求, 甚至还可能出现安 全问题, 因此, 当前迫切需要一种能够满足要求的实用的机 械臂轨迹规划方法, 便于自动控制, 降低成本, 保障安全。 目前, 在机器人 (包括机械手 /臂 )轨迹规划方面已有了 较多的研究, 如计算、 推导方法方面, 郭宗和 [2]等对一种并联 机构动平台的运动轨迹规划进行了推导, 提出了 3- RPC并 联机构的运动学反解计算公式; 郭柏林 [3]等对一种新型机械 手进行了仿真, 得到了该机械手的一些动态参数; Koivo[ 4]等 利用 N e wton -Euler方程描述了挖掘机构的运动关系并建立 了较完整的系统动力学方程。还有一部分则着重介绍了轨 迹规划的算法, 如杜亮 [ 5]等出了一种工业机器人连续轨迹 位置规划算法: 王随平 [ 6]、Sancibrian[7]等提出了改进的蚁群 优化算法, 等等。但是, 大多数都是针对电机驱动的轻型机 器人进行研究, 对液压驱动机械臂轨迹规划的研究较少。 由于基于液压驱动的机械臂, 其工作特点, 与基于电机 驱动的机械臂不同, 往往是低速, 大功率, 大载荷, 其工作状 态也受到众多的约束, 包括工作速度和加速度, 因此, 需要根 据工作过程中液压驱动系统的特性对其运动状态进行优化, 以满足系统要求。 下面将在对机械臂进行无碰撞轨迹规划 [ 9]的基础上, 针 对基于液压驱动的机械臂, 采用一定算法并结合虚拟样机 仿真技术对无碰撞轨迹进行优化, 并以某吊运机械臂为实例 对此方法进行验证。 1 无碰撞轨迹规划 1. 1 n自由度机械臂 C空间描述 C空间 ( Configuration Space) 又 称构形 空间, 首 先由 Lozanop? rez[8]提出。C空间可分割为被其他障碍物所占据的 障碍物空间和自由空间两个子部分。图 1所示即为 n自由 度机械臂的 C空间。这里将在此 C空间中进行 n自由度机 械臂的运动规划。 机械臂运动学方程为 X = f(H)( 1) 式中: X 为机械臂末端位置坐标向量, H为关节角向量。 w 图 1 机械臂 C空间 选定机械臂的关节角作为机械臂 C 空间的坐标变量。 设关节角的取值范围为 HiI(0~ i) ( i= 1, 2, ,, n), 则机械 臂 C空间数学表达式为: C = { (H1, H2, ,, Hn) | 0F HiF i, i = 1 , 2, ,, n} 若机械臂关节的极限角速度为 Xi( i= 1, 2, ,, n), 则各 关节在 $t时间内扫过的最大角度分别为 $Hi=
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