挖掘机关节空间轨迹规划问题研究

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对挖掘机进行轨迹规划研究作为其智能化发展的重要组成部分,具有重要的意义。本文以立派PC1012小型液压挖掘机为研究对象,以时间和脉动为性能指标对挖掘机机械臂最优轨迹规划问题进行研究,以提高挖掘机在实际挖掘工作中的效率以及减少工作过程中对关节造成的冲击。首先,采用标准D-H法建立挖掘机的连杆坐标系,对其进行运动学分析;采用蒙特卡洛法获取挖掘机器人工作空间范围,并选取合理的作业区域,设定挖掘路径点;利用几何法对其进行逆运动学求解,与解析法相比,求解更加简单。其次,依次采用三次、五次和七次非均匀B样条曲线对挖掘机在关节空间进行轨迹规划,并采用五段五次多项式曲线作为对比,对不同轨迹规划方法下的动态特性指标和铲斗齿尖轨迹进行对比分析。结果表明,曲线次数越低,曲线的加速度波动越小;与同等阶次的多项式曲线相比,B样条曲线具有局部支撑性且计算更为简单。然后,在各关节角速度、角加速度和脉动的约束下,采用不同阶次的非均匀B样条曲线对关节离散角度点进行插值,以关节动作时间最短为优化目标,采用粒子群优化算法进行优化求解,并对不同阶次非均匀B样条曲线下的优化结果进行对比分析。最后,以关节运行时间和脉动综合最优为目标函数,以五次非均匀B样条为插值曲线,运用改进后的自适应变异粒子群优化算法(AMPSO)对目标函数进行优化求解,结果表明,该方法得到的运动轨迹在保证运动时间较少的情况下,能够减小在运动过程中各关节所受到的冲击。从而验证了该方法的可行性和有效性。
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