《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于激光引導(dǎo)的SCARA的軌跡規(guī)劃與優(yōu)化
信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全
王 鍇,關(guān)勝曉
(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥230026)
摘要: 多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中,SCARA機(jī)械臂的工作路徑為固定的模式,為結(jié)合視覺信息,優(yōu)化控制方式,采用激光打樣的方式引導(dǎo)SCARA動(dòng)作。以桃子TZ-500 SCARA機(jī)械臂和MATLAB為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),使用D-H坐標(biāo)系法建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,得到其工作空間。針對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)的軌跡,采用五次多項(xiàng)式插值法完成在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的規(guī)劃。靈活的多點(diǎn)軌跡,使用三次B樣條曲線插值法規(guī)劃得到相鄰點(diǎn)的三次軌跡,對(duì)于起始時(shí)刻和終止時(shí)刻加速度不為零的問題,設(shè)計(jì)了修正因子,保證加速度為零,有效降低沖擊。為了縮短運(yùn)行時(shí)間,結(jié)合約束條件和應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了新的罰函數(shù),并對(duì)遺傳算法的選擇和變異方向進(jìn)行改進(jìn),加速篩選過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用了改進(jìn)后的遺傳算法,得到軌跡的運(yùn)行時(shí)間要優(yōu)于優(yōu)化前的軌跡,有效地提高了運(yùn)行效率和精度。
中圖分類號(hào): TP241.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.02.010
引用格式: 王鍇,關(guān)勝曉. 基于激光引導(dǎo)的SCARA的軌跡規(guī)劃與優(yōu)化[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全,2021,40(2):56-65.
Trajectory planning and optimization of SCARA based on laser guidance
Wang Kai,Guan Shengxiao
(School of Information Science and Technology,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)
Abstract: In most application scenarios, the working path of SCARA robotic arms is fixed. In order to combine visual information and optimize the control method, laser proofing is used to guide SCARA actions. Using the Taozi TZ-500 SCARA robotic arm and MATLAB as the experimental platform, the D-H coordinate system method is used to establish the kinematics model of the robotic arm and obtain its working space. For the point-to-point trajectory, the paper uses the fifth-degree polynomial interpolation method to complete the planning in the joint space. For flexible multi-point trajectories, the cubic B-spline curve interpolation method is used to plan and obtain the cubic trajectories of adjacent points. For the problem that the acceleration at the start and end time is not zero, a correction factor is designed to ensure that the acceleration is zero. This method reduces the impact effectively. In order to shorten the running time, a new penalty function is designed in combination with constraint conditions and application scenarios. Improvement measures for the selection and mutation direction of genetic algorithms speed up the screening process. The experimental results show that using the improved genetic algorithm, the running time of the trajectory obtained is better than the trajectory before optimization, which effectively improves the operating efficiency and accuracy.
Key words : laser guidance;SCARA manipulator;trajectory planning;genetic algorithm

0 引言

         隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),采用機(jī)器代替人工已是大勢(shì)所趨。目前生產(chǎn)線上的機(jī)器人大多遵循固定的工作模式,對(duì)于沒有視覺信息的機(jī)械臂,其運(yùn)動(dòng)路徑一般由程序給定,如果要改變其路徑,則需通過手動(dòng)示教或修改源程序的方式,而頻繁的手動(dòng)控制無益于實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)化。對(duì)于引入視覺信息的機(jī)械臂,可通過圖像或視頻算法識(shí)別環(huán)境信息,進(jìn)而在線規(guī)劃運(yùn)動(dòng)方案,提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。但在環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合,如特殊天氣、光線昏暗、目標(biāo)物特征難以提取等條件下,識(shí)別檢測(cè)算法的復(fù)雜度將大幅提升,導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加,不利于實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)用。工業(yè)生產(chǎn)線上,SCARA因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定高效的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。在SCARA的設(shè)計(jì)工作上,學(xué)者們已經(jīng)取得了豐碩的成果,1984年,Adept公司設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)SCARA機(jī)器人,從此奠定了后世SCARA結(jié)構(gòu)的雛形[1]。如今的研究工作多集中于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,如張紅等采用有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了小臂的輕量化[2]。為結(jié)合視覺信息,Hill和Park于1979年提出了視覺伺服的概念,經(jīng)過近五十年的發(fā)展,手眼視覺伺服、場(chǎng)景視覺伺服系統(tǒng)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)[3]。軌跡規(guī)劃中,多項(xiàng)式插值是主流方法,張秀林利用B樣條曲線對(duì)關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行逼近,基于非均勻變異,使用改進(jìn)的遺傳算法求得最優(yōu)時(shí)間,完成了最優(yōu)軌跡規(guī)劃[4]。



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作者信息:

王  鍇,關(guān)勝曉

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥230026)


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