本發(fā)明涉及自動(dòng)化機(jī)械，特別涉及一種機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法及機(jī)械臂。

背景技術(shù)：

1、機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵部件，隨著工業(yè)4.0的到來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越普遍，為了使工業(yè)機(jī)器人精準(zhǔn)地進(jìn)行預(yù)設(shè)的工作內(nèi)容，機(jī)械臂的作業(yè)精度是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

2、目前，通常用六軸機(jī)械臂以提高機(jī)械臂在自動(dòng)化生產(chǎn)中的靈活性。然而，必須確保機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)規(guī)劃的軌跡，才可以保證機(jī)械臂能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行作業(yè)?，F(xiàn)有的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)置通常是根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)和機(jī)械臂固有特性進(jìn)行人工編程，但是，實(shí)際的作業(yè)環(huán)境中存在大量外界干擾，從而導(dǎo)致機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與人工編程設(shè)置的運(yùn)動(dòng)軌跡有一定的偏差；此外，當(dāng)機(jī)械臂出現(xiàn)磨損老化后，也會(huì)影響其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)性。因此，目前在進(jìn)行人工編程后，還需要頻繁根據(jù)機(jī)械臂在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)來對(duì)編程進(jìn)行修正和優(yōu)化，不僅增加了人員調(diào)試的工作量，還導(dǎo)致機(jī)械臂的工作效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法及機(jī)械臂，以解決現(xiàn)有機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)性較差的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，包括：

3、對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行物理建模，以得到機(jī)械臂模型；

4、基于dh法對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以優(yōu)化機(jī)械臂模型；

5、利用3-5-3次多項(xiàng)式插值法對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的預(yù)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃；

6、采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行跟蹤控制。

7、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行物理建模，以得到機(jī)械臂模型的方法包括：

8、利用nx軟件建立六軸機(jī)械臂三維模型，并定義關(guān)節(jié)類型和運(yùn)動(dòng)范圍；

9、配置六軸機(jī)械臂的約束條件，所述約束條件包括六軸機(jī)械臂中各個(gè)關(guān)節(jié)和連桿的關(guān)系、角度、速度和加速度；

10、在六軸機(jī)械臂三維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)約束條件進(jìn)行mcd建模，以得到機(jī)械臂模型。

11、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述基于dh法對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法包括：

12、設(shè)置dh參數(shù)，所述dh參數(shù)包括關(guān)節(jié)角度、連桿偏移、連桿長度和連桿扭轉(zhuǎn)角；

13、根據(jù)設(shè)置的dh參數(shù)，在matlab中建立dh參數(shù)模型；

14、對(duì)dh參數(shù)模型進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以優(yōu)化機(jī)械臂模型。

15、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述對(duì)dh參數(shù)模型進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法包括：

16、根據(jù)dh參數(shù)進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，以得到機(jī)械臂相鄰連桿之間坐標(biāo)變換關(guān)系；

17、根據(jù)相鄰連桿之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿矩陣；

18、利用dh參數(shù)模型，對(duì)機(jī)械臂末端執(zhí)行器進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到關(guān)節(jié)的角度。

19、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述利用3-5-3次多項(xiàng)式插值法對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的預(yù)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃的方法包括：

20、獲取優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的連桿和關(guān)節(jié)的關(guān)系信息；

21、基于量子粒子群算法和3-5-3次多項(xiàng)式插值法，得到關(guān)系信息在滿足約束條件下，各個(gè)關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)時(shí)間；

22、獲取所有關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最大時(shí)間并求和，以得到最長運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

23、利用3-5-3次多項(xiàng)式插值法對(duì)最長運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行處理，以獲得各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡；

24、利用正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到機(jī)械臂末端執(zhí)行器時(shí)間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃。

25、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述獲取優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的連桿和關(guān)節(jié)的關(guān)系信息的方法包括：

26、構(gòu)造3-5-3樣條插值；

27、獲取關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的定點(diǎn)，所述定點(diǎn)包括初始點(diǎn)、第一中間點(diǎn)、第二中間點(diǎn)和終止點(diǎn)；

28、利用3-5-3樣條插值，通過定點(diǎn)獲知運(yùn)動(dòng)系數(shù)和插值點(diǎn)的關(guān)系；

29、根據(jù)定點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)系數(shù)和插值點(diǎn)的關(guān)系，獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)。

30、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述基于量子粒子群算法和3-5-3次多項(xiàng)式插值法，得到關(guān)系信息在滿足約束條件下，各個(gè)關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)時(shí)間的方法包括：

31、獲取機(jī)械臂關(guān)節(jié)在三段軌跡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

32、優(yōu)化量子粒子群算法的目標(biāo)函數(shù)；

33、將三段軌跡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為搜索空間，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對(duì)粒子的位置、速度和加速度進(jìn)行更新；

34、根據(jù)更新后的粒子位置、速度和加速度，獲得各個(gè)關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)時(shí)間。

35、可選的，在所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法中，所述采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行跟蹤控制的方法包括：

36、在mcd中設(shè)置機(jī)械臂參數(shù)，所述機(jī)械臂參數(shù)包括連桿間約束、定義剛體、定義碰撞體、運(yùn)動(dòng)副約束、位置控制器、速度控制器、材料屬性、定義姿態(tài)；

37、編寫plc控制程序，并在plc和mcd之間建立通訊聯(lián)系；

38、利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器、plc控制程序，基于mcd進(jìn)行仿真演示，以獲得機(jī)械臂軌跡跟蹤控制的效果。

39、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供一種機(jī)械臂，所述機(jī)械臂利用如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法進(jìn)行軌跡跟蹤控制；所述機(jī)械臂包括多個(gè)關(guān)節(jié)和連桿。

40、可選的，在所述的機(jī)械臂中，所述機(jī)械臂為六軸機(jī)械臂。

41、本發(fā)明提供的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法及機(jī)械臂，包括：對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行物理建模，以得到機(jī)械臂模型；基于dh法對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以優(yōu)化機(jī)械臂模型；利用3-5-3次多項(xiàng)式插值法對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的預(yù)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃；采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行跟蹤控制。通過對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為后續(xù)的軌跡規(guī)劃做好模型鋪墊，保證后續(xù)軌跡規(guī)劃的準(zhǔn)確性；通過多項(xiàng)式插值法進(jìn)行軌跡規(guī)劃，能夠保證機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)要求，且能夠?qū)C(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)和連桿進(jìn)行聯(lián)動(dòng)；通過在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃完成后再次進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能夠得到機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡，便于后續(xù)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的分析優(yōu)化；通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)軌跡進(jìn)行跟蹤控制，能夠及時(shí)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而保證機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)要求，解決了現(xiàn)有機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)性較差的問題。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行物理建模，以得到機(jī)械臂模型的方法包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述基于dh法對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述對(duì)dh參數(shù)模型進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述利用3-5-3次多項(xiàng)式插值法對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的預(yù)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃的方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述獲取優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的連桿和關(guān)節(jié)的關(guān)系信息的方法包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述基于量子粒子群算法和3-5-3次多項(xiàng)式插值法，得到關(guān)系信息在滿足約束條件下，各個(gè)關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)時(shí)間的方法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行跟蹤控制的方法包括：

9.一種機(jī)械臂，其特征在于，所述機(jī)械臂利用如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法進(jìn)行軌跡跟蹤控制；所述機(jī)械臂包括多個(gè)關(guān)節(jié)和連桿。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)械臂，其特征在于，所述機(jī)械臂為六軸機(jī)械臂。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種機(jī)械臂軌跡跟蹤控制方法及機(jī)械臂，包括：對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行物理建模，以得到機(jī)械臂模型；基于DH法對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以優(yōu)化機(jī)械臂模型；利用3?5?3次多項(xiàng)式插值法對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械臂模型的預(yù)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃；采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行跟蹤控制。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為后續(xù)的軌跡規(guī)劃做好模型鋪墊，保證后續(xù)軌跡規(guī)劃的準(zhǔn)確性；通過多項(xiàng)式插值法進(jìn)行軌跡規(guī)劃，能夠保證機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)要求，且能夠?qū)⒏鱾€(gè)關(guān)節(jié)和連桿進(jìn)行聯(lián)動(dòng)；通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)軌跡進(jìn)行跟蹤控制，能夠及時(shí)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而保證機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用時(shí)其運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)要求，解決了現(xiàn)有機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡精準(zhǔn)性較差的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：秦斐燕,巫嘉陽,丁文霞,謝仲業(yè),王福杰,沈博,武淼
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東莞理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6