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工业机器人以其精度高、效率高及通用性强等特点,广泛应用于众多行业。石油化工行业普遍存在危险性操作,使用机器人是大势所趋。但石油化工行业存在产品附加值的特点,使用昂贵的机器人不可行。因此,本文开展了低成本、高效稳定四自由度机器人的基础性研究,重点分析机器人的运动控制系统及轨迹规划算法。本文的主要工作包括:(1)综合考虑机器人运动控制、低成本及可靠性要求,提出了以STM32+FPGA为核心的硬件方案。该方案中,以STM32为主控核心,完成人机交互、逻辑控制以及运动控制算法,FPGA为协处理器,用于控制信号的采集及输出。同时,研究了各模块相应的电路,完成电路板的制作;在控制系统硬件方案的基础上,提出软件总体方案,在STM32和FPGA上分别开发各模块相应的控制程序。(2)以SCARA机器人为研究对象,进行运动学分析,并利用MATLAB进行仿真。仿真结果表明,运动学分析结果准确无误。同时,以SCARA机器人运动学模型为基础,讨论机器人的轨迹规划算法。在笛卡尔空间中,研究了带有抛物线段的空间直线与圆弧轨迹规划方法;在关节空间中,给出了4-3-4多项式轨迹插值法并将其扩展,研究了扩展4-3-4多项式轨迹插值法的通用公式。利用MATLAB进行仿真验证以及在实验平台进行实际测试。结果表明,机器人能够正确运行,且运行过程平稳。(3)在4-3-4多项式轨迹插值法的基础上,结合给定的约束条件,给出了基于标准遗传算法的时间最优轨迹规划的具体流程。同时,针对标准遗传算法的不足,提出改良方案,并利用改进遗传算法进行时间最优轨迹优化。使用MATLAB对轨迹优化算法进行仿真分析。仿真结果表明,标准遗传算法与改进遗传算法的优化效果很好,机器人完成整段轨迹的总时间明显减少。但改进算法的优化效果更好,收敛速度更快。同时,各关节的关节量、速度以及加速度都在给定范围内,说明轨迹优化算法的可行性与有效性。在实验平台进行实际测试,测试结果与仿真结果基本上是一致的。