【摘 要】
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巡检机器人上的七自由度冗余机械臂可以应用在多种场景,在巡检机器人到达指定位置后,该机械臂可实现在狭小空间内灵活作业或者递送探头观察复杂空间的功能。七自由度冗余机械臂是在满足末端位姿的前提下增加机械臂的姿态自由度,即使机械臂发生了某些故障或者受到外界干扰,仍可以通过调整冗余自由度来完成任务,从而提高容错性能,在工作期间能避免出现奇异位置和关节极限。本文对七自由度冗余机械臂的逆运动学、轨迹规划和避障路
【基金项目】
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巡检机器人的研究领域,具体项目为:山西省基础研究计划的“新型混联轮式巡检机器人的拓扑研究与整机建模”（项目编号:202103021224264）；
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巡检机器人上的七自由度冗余机械臂可以应用在多种场景,在巡检机器人到达指定位置后,该机械臂可实现在狭小空间内灵活作业或者递送探头观察复杂空间的功能。七自由度冗余机械臂是在满足末端位姿的前提下增加机械臂的姿态自由度,即使机械臂发生了某些故障或者受到外界干扰,仍可以通过调整冗余自由度来完成任务,从而提高容错性能,在工作期间能避免出现奇异位置和关节极限。本文对七自由度冗余机械臂的逆运动学、轨迹规划和避障路径规划进行了研究,主要内容如下:（1）对七自由度冗余机械臂运动学进行分析。根据数学关系推导出冗余机械臂正运动学公式,采用D-H方法建立冗余机械臂的运动学模型,使用蒙特卡洛法描述冗余机械臂的工作空间。（2）针对七自由度冗余机械臂逆运动学求解问题,提出了改进麻雀搜索算法（ISSA）。该算法利用Halton序列初始化种群,结合蝴蝶优化算法（BOA）提高算法的全局搜索能力,最后进行高斯变异避免出现局部最优解。仿真结果显示,与SSA算法比较,ISSA算法得到的位姿误差降低了98.63%,标准差降低了84.29%,说明ISSA算法在逆运动学求解的精度和稳定性上都优于SSA算法。（3）针对七自由度冗余机械臂3-5-3混合多项式时间最优轨迹规划问题,提出了自适应粒子群算法（APSO）。该算法利用佳点集初始化种群,采用自适应权重和动态学习因子提高算法搜索能力。仿真结果显示,优化后的运行时间缩短了27.56%,证明了该方法的有效性。（4）针对七自由度冗余机械臂避障问题,利用圆柱空间将冗余机械臂连杆包络,障碍物利用球状空间包络。在工作空间中,分别采用RRT算法和RRT-Connect算法进行避障运动,仿真结果显示,RRT-Connect算法在运行时间和路径长度方面都优于RRT算法。在实际环境中搭建试验台,验证了RRT-Connect算法避障性能,冗余机械臂可以快速的避开障碍物到达目标位置。
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