摘 要

随着近代工业的飞速发展，工业机器人在全自动持续化生产过程中扮演着非常重要的角色，而且越来越普及。虽然工业机器人有着作业效率高、持续性强、可在危险环境中工作和节约人力等许多优点，但是较高的能源消耗无疑是它亟待解决的问题之一。

本文借助Matlab对PUMA560机器人进行D-H模型建模，以该仿真模型为基础，采用五次多项式插值的点到点轨迹，通过计算各关节电机在每个插值点的力矩，得到点到点整个运行过程中机器人伺服电机的总能耗表达式，再以该表达式为目标函数，在移动路径不变的前提下通过对控制点上的各轴角速度和运行时间等参数进行优化，使总能耗最小，以达到能量有效运行的研究目的。

由于影响工业机器人运行总能耗的因素有很多，例如运行速度、匀速时间长度、加速度和空闲时间等等，因此本文的研究重点是，通过融合多种优化方法的思想对机器人的多个运行参数进行同时优化控制，寻求总能耗最低的多参数组合解。该能量有效运行控制方法对于执行固定动作的机器人，如流水线装配机器人，具有非常明显的降低总能耗的作用，对于实时性要求比较高的机器人，该方法亦可快速提供基于优化运算时间的当前最优解。

关键词：工业机器人；轨迹规划；能量有效控制；多参数优化

Abstract

Industrial robots, which are more and more popular, play a very important role in the automatic continuous production process with the rapid development of modern industry. Although industrial robots have many advantages, such as high efficiency, strong persistence, ability of working in hazardous environments and manpower saving, higher energy consumption is undoubtedly one of the problems that needs to be solved urgently.

In this paper, the D-H model of PUMA560 robot is modeled by Matlab. Based on this simulation model, the total energy consumption expression of the servo motors in the whole point-to-point process can be got by calculating the torque of joints motors in every interpolation point with the point-to-point trajectory of the fifth-order polynomial interpolation. Then optimize parameters including the running time and the angular velocity of joints in control points, by using the expression as the objective function, under the premise of constant moving path to make the total energy consumption minimum and achieve the purpose of energy efficient control.

There are many factors that affect the total energy consumption of industrial robots, such as running speed, running time at constant speed, acceleration and idle time, so the focus of this paper is to integrate ideas of multiple optimization methods for optimizing and controlling many robot operating parameters at the same time to seeking the multi-parameter combination solution which is the minimum total energy consumption. The control method of energy efficient operation has a very significant effect on reducing the total energy consumption for robots that perform fixed actions, such as pipelining robots, which can also quickly provide a current optimal solution basis for the computational time of optimizing for robots with relatively higher real-time requirements.

Key Words: Industrial robots;Trajectory planning;Trips;Ant colony algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 设计的相关原理 4

2.1 机器人的运动学原理 4

2.1.1 运动学理论概述 4

2.1.2 刚体位姿描述与齐次坐标变换 4

2.1.3 PUMA560的D-H模型 7

2.1.4 正逆运动学原理概述 9

2.2 轨迹规划相关原理 9

2.2.1 轨迹规划概述 9

2.2.2 五次多项式轨迹规划 10

2.3 机器人的动力学理论与能耗分析 10

2.3.1 动力学理论概述 10

2.3.2 力矩的计算 11

2.3.3 伺服电机能耗计算 11

2.4 优化算法相关原理 12

2.4.1 优化算法概述 12

2.4.2 本文优化算法原理 13

2.5 Matlab仿真工具 17

2.5.1 Matlab介绍 17

2.5.2 机器人工具箱 17

2.6 本章小结 18

第3章 系统的设计与实现 19

3.1 D-H模型的建立 19

3.2 逆运动学与五次多项式插值 20

3.3 总能耗表达式的构建 21

3.4 控制点的选取和待优化参数的确定 22

3.5 多参数优化算法的实现 22

3.5.1 解空间、目标函数及探索起点 22

3.5.2 反馈式邻域范围和接受概率 23

3.5.3 定向移动与优解更新 24

3.5.4 约束条件 25

3.5.5 禁忌表的更新与禁忌区避免 25

3.5.6 跳出困境与稳态及贪婪度衰减 26

3.5.7 重点优解的再搜索 27

3.6 实验数据分析与研究成果展示 27

3.7 本章小结 32

第4章 总结和展望 33

4.1 论文工作总结 33

4.2 未来工作展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

机器人的出现无疑是人类发展历程中的一个具有划时代意义的里程碑，机器人学更是集机械技术、微电子技术、自动化技术、信息技术、传感器技术甚至网络工程技术于一体的交叉前沿学科^[1]。

1954年第一台可编程的机器人于美国诞生，打开了机电一体化技术的大门。随后几十年中，诸多领域都先后出现了机器人的身影，这些机器人按使用目的分为工业机器人和服务机器人，从打扫卫生到装配搬运，再到侦查扫雷甚至是火星探险，凡是人类不想或者不方便亲自动手操作的，统统交给了机器人。在交互技术、人工智能技术等众多高端技术的扶持下，机器人技术迅速发展。