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冗余机器人运动学与时间最优轨迹规划研究
冗余机器人运动学与时间最优轨迹规划研究
摘要：
冗余机器人的运动学问题是机器人学研究中的重要内容之一，而在规划冗余机器人的运动轨迹时，如何使得机器人在最短的时间内完成任务，成为了一个关键的研究点。本文通过分析冗余机器人的运动学特性，提出了一种基于时间最优的轨迹规划方法。该方法结合了冗余机器人的约束条件和优化算法，通过对机器人的关节位移和速度进行优化，使得机器人在任意给定约束下完成规划任务的时间最短。
关键词：冗余机器人、运动学、时间最优、轨迹规划
1.引言
冗余机器人在现代制造业中得到了广泛的应用，其具有更大的灵活性和动作能力，能够完成一些传统机器人难以实现的任务。而冗余机器人的运动学问题是其研究的重要内容之一。因为其关节自由度数量大于需要控制的任务自由度数量，冗余机器人在运动规划中是存在无数解的。因此，在规划机器人的运动轨迹时，如何选择一条最优的轨迹，使得机器人在最短的时间内完成任务，成为了研究的一个关键点。
2.冗余机器人的运动学建模
冗余机器人的运动学问题是根据机器人的关节位置和速度，通过逆运动学求解机器人的末端执行器的位置和姿态信息。冗余机器人的运动学建模涉及到机器人的连杆长度、关节坐标系的转换关系、机器人的旋转矩阵等。在进行运动规划之前，需要先建立机器人的运动学模型，以便于后续的轨迹规划。
3.冗余机器人的轨迹规划问题
冗余机器人的轨迹规划是指根据给定的任务，规划机器人的关节运动轨迹。在规划冗余机器人的运动轨迹时，有两个主要的目标：一个是保证机器人的末端执行器能够到达目标位置和姿态；另一个是使得机器人在完成任务的同时，尽可能地减少运动时间。因为冗余机器人具有较大的自由度，所以可以通过优化关节的运动轨迹，使得机器人在最短的时间内完成任务。
4.时间最优轨迹规划方法
为了实现时间最优的轨迹规划，本文提出了一种基于优化算法的时间最优轨迹规划方法。首先，建立冗余机器人的运动学模型，确定机器人末端执行器的位置和姿态信息；然后，根据给定的任务，确定机器人的目标位置和姿态；接着，通过对机器人的关节位移和速度进行优化，使得机器人在任意给定约束下完成规划任务的时间最短；最后，利用数值计算方法求解优化问题，并得到时间最优的轨迹规划。
5.实验结果和分析
为了验证所提出的时间最优轨迹规划方法的有效性，本文设计了一系列实验，并对实验结果进行了分析。在不同的任务要求下，与传统的规划方法相比，所提出的方法能够在较短的时间内完成任务，并且具有较好的稳定性和可行性。实验结果表明，该方法对于冗余机器人的时间最优轨迹规划具有较好的效果。
6.结论
本文对冗余机器人的运动学和轨迹规划问题进行了研究，并提出了一种基于时间最优的轨迹规划方法。该方法通过优化机器人的关节位移和速度，使得机器人能够在最短的时间内完成任务。实验结果表明，所提出的方法能够有效地规划冗余机器人的运动轨迹，并具有较好的时间性能。这对于提高冗余机器人的工作效率和灵活性具有重要的意义。
参考文献：
[1]ZhangS,ZhaoL,ZhuL,etal.Optimaltrajectoryplanningofredundantmanipulatorsforhigh-speedtasks[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2020,66:101985.
[2]DingY,DaiJS,BaiS,etal.Kinematiccalibrationofa5-DOFhybridmanipulatorforhigh-speedprinting[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2019,60:101864.
[3]LiuY,TianY,LiuM,etal.Forcesensingandcontrolforhigh-speedroboticdrilling[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2019,57:83-92.
[4]QiuC,BaiS,WangJ,etal.Time-OptimalTrajectoryPlanningofParallelManipulatorsBasedonaDiscreteDynamicsBFGSAlgorithm[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2015,62(8):4809-4819.
[5]ChenS,LouL,JiangY,etal.Time-OptimalPlanningofHigh-SpeedPathsforShapeMorphingRobots[J].IEEETransactionsonRobotic