本文是一篇机械论文，为使轨迹更加平滑，笔者采用分段五次多项式插值对各关节轨迹进行规划；为充分利用捡拾机械手性能，进行了余弦式自适应遗传算法的时间最优轨迹规划并将其应用于障碍环境下的轨迹优化问题处理，得到最优轨迹下的捡拾机械手轨迹。
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着工业技术的进步与科技水平的日益壮大，在工业生产[1,2,3]、农业生产[4,5]和服务[6,7]等行业出现了各种各样的机器人，它们帮助人们完成不同的工作任务。其中，机械手扮演着一个很重要的角色，将程序写入机械手可以代替实际工作过程中人工作业，这不仅推动了机械手相关研究不断发展，同时也给机械手相关研究提出了更高的要求。
机器人能在危险和恶劣的环境中进行作业，例如工业中焊接、码垛、涂装等，农业中水果、蔬菜的采摘、畜牧家禽的巡逻检查等，生活中的服务机器人等数不胜数，他们代替或辅助人们完成单调、反复的不间断工作任务。机器人的广泛应用使得机械手自动或者自主运动问题成为研究热点，需要面对的工作环境和工作任务也日渐复杂，所涉及的运动规划算法需要针对不同的需求升级改进，以适应复杂障碍工作环境，满足不同的工作需求。近年来，随着工业技术的飞快发展，服务机器人的使用体验得到提高，智能化品类愈来愈多，产品不断迭代，中国服务机器人行业市场规模如图1.1所示，中国服务机器人行业市场需求规模如图1.2所示，从图中可以看出，国内的服务机器人需求规模一直在稳步上升，以致机器人市场规模不断扩大。
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1.2课题相关内容研究现状
1.2.1机械手路径规划研究现状
在国外，2021年，Abainia等[8]为解决六自由度串联机械手的路径规划问题，将工作的重心放在解决串联机械手逆运动学问题上，针对机械手静态环境避障和运动学模型求解关节角最优组合问题，提出一种多目标粒子群算法，对每个规划时间点上的粒子进行判断，判断是否与障碍物发生碰撞，采用OBB包络法对障碍物进行碰撞检测，引入了一个新的适应度函数来优化机械手消耗的总能量。仿真结果较优化前显著提高了导航性能。
2020年，Liu等[9]提出一种PT-RRT算法，利用目标偏差和目标引力策略指导随机节点的扩展，首先将随机概率采样的阈值设置为扩展模式的选择标准，如果随机采样值在设定的阈值内，将目标点设定为随机点，否则利用目标偏差和目标引力共同作用下扩展新节点，此方法可以有效减少路径规划时间和路径长度。
2019年，Lv等[10]在PSO算法中增加一个种群交换项，表示局部最优粒子与通过当前迭代获得的全局最优粒子之间的信息交换，用于平衡粒子的勘探和开发能力，引入最后消除原则到PSO算法中，避免了种群局部最优。
2016年，Shen等[11]在蚁群算法中加入遗传算法，使每次迭代过程中利用遗传算法的快速收敛优势，选择遗传算法与蚁群算法中的最优解，将其作为蚁群算法新的最优解进行信息素更新，加速蚁群算法的收敛速度，利用遗传算法的突变机制使得蚁群算法跳出局部最优区域，解决了路径规划收敛速度及优化之间的冲突问题。
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第二章障碍条件下机械手路径规划与仿真分析
2.1机器人运动学建模
机器人运动学是分析机械手运动基础[38,39,40]，不涉及与机器人相关的力的研究，具体描述机器人末端执行器姿态和各关节运动间的关系[41,42,43]，根据求解方向不同，分为正解和逆解。其中，正运动学是求解机器人各个关节到末端的位姿映射，反之为逆运动学。运动学逆解为求解通过路径规划算法得出的末端轨迹从而得到各关节的转角，进而为搭建机器人动力学模型打下基础[44,45,46]。为避免求解出的关节角在捡拾机械手运动过程中与障碍物发生碰撞[47,48,49]，则需要运动学正解来求解连杆和关节的位姿，以判断是否发生碰撞[50]。
2.1.1捡拾机械手结构
本文研究的捡拾机械手为实验室内自主研发的五自由度串联机械手，考虑到实际的作业环境，在对机械手进行结构设计时，首先考虑机械手的工作空间问题，其次要保证捡拾机械手的灵活度，因此选定为关节坐标式。机械手的驱动方式会影响工作性能，为满足捡拾机械手运行平稳、可控性强等要求，将捡拾机械手的驱动方式选定为电机驱动。针对机械手的自由度数目设定问题，模仿人类手臂，将其设定为五个。至此，捡拾机械手结构得以确定，图2.1为捡拾机械手的整体结构，关节1、关节2和关节3都是由支撑架和ASME-MR型电动舵机构成，关节1模仿人的肩关节旋转动作，实现机械手周向旋转运动，关节2和关节3模仿人的肩部和肘部两个关节，实现机械手上下俯仰运动。关节4和关节5都是由MG996R型舵机和其支架构成，由于MG996R型舵机的大小和质量都较小，且满足捡拾任务的要求，且关节5上连有手爪，关节4和关节5模仿人的腕部动作，小范围改变末端执行器的位置和姿态，能够调整捡拾动作的位姿。
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2.2改进人工势场法的障碍条件下路径规划
2.2.1包络法
2.2.2碰撞检测算法
捡拾机械手的碰撞检测问题，可以理解为在捡拾机械手运动过程中其各连杆是否与障碍物发生碰撞，以此来判断人工势场法规划出的路径点经逆运动学求解出的关节角组是否可用。碰撞检测问题一般可以由人工示教法和碰撞检测算法来解决。
人工示教法指人为的使用示教器或手动牵引规划机械手臂在运动过程中的每个关节位置，但由于人工示教法多用于简单路径的规划，加之运动精度由人眼决定，对于较复杂的路径则不采用此方法。
关于碰撞检测算法，层次包络盒法能很好的解决，层次包络盒法指用简单的几何体来近似的表示复杂对象，将碰撞检测问题转换成机械手连杆与包络体表面的位置关系。目前常用的层次包络盒法有包围球法、AABB包围盒法和OBB包围盒法。由于本文研究的是一段路径运动规划问题，在碰撞检测问题上，将障碍物简化成一正方体，即将捡拾机械手工作空间内的障碍物采用AABB包围盒法，省去了包络的环节，直接采用文中设置的正方体障碍物与捡拾机械手各连杆解决碰撞检测问题。
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第三章平滑运动轨迹规划与仿真分析..............................21
3.1机器人动力学建模....................................21
3.1.1拉格朗日功能平衡法................................21
3.1.2五自由度捡拾机械手动力学方程..............................23
第四章改进遗传算法的机械手轨迹优化与仿真分析....................................34
4.1遗传算法的改进.................................34
4.1.1传统遗传算法.................................34
4.1.2改进遗传算法..........................................36
第五章总结与展望................................48
5.1总结.................................................48
5.2展望................................................49
第四章改进遗传算法的机械手轨迹优化与仿真分析
4.1遗传算法的改进
由第三章可知捡拾机械手在障碍环境中的轨迹曲线已经通过分段五次多项式插值对每两个路径点之间进行插值规划求得，但由于每段轨迹的时间设定都是固定的，因此其中涉及到一个时间最优的问题[56,57,58]，当捡拾机械手各个关节转动时，受到其硬件条件的限制，是否存在实际运动的每段轨迹所用时间多于或少于所设定时间，将导致规划轨迹不是最优，进而导致捡拾机械手的运行效率较低[59,60]。
因此机械手的时间最优规划问题的研究是非常有意义的[61]，它是提高机械手运行效率的关键。为解决这个问题[62,63]，本章将采用遗传算法对分段五次多项式插值后的轨迹的每段轨迹进行优化，并结合机械手的实际运动约束条件，进行最优时间轨迹规划的研究，进而得到问题的最优解。
机械论文参考
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第五章总结与展望
5.1总结
本文以捡拾机械手为研究对象，重点对路径规划问题、轨迹运动平滑性问题和时间最优轨迹规划问题进行研究，根据捡拾机械手的结构，对其进行了运动学的建模，针对障碍环境中的碰撞问题，进行了人工势场法的改进和包围盒法的应用；为使轨迹更加平滑，采用分段五次多项式插值对各关节轨迹进行规划；为充分利用捡拾机械手性能，进行了余弦式自适应遗传算法的时间最优轨迹规划并将其应用于障碍环境下的轨迹优化问题处理，得到最优轨迹下的捡拾机械手轨迹。
首先，以实验室自主研发的捡拾机械手为研究对象，考虑其结构，建立其D-H连杆坐标系，推导其正、逆运动学模型，并对捡拾机械手的工作空间进行了求解，在工作环境中设置捡拾机械手的起始位置、终止位置和障碍物位置，针对障碍环境中机械手的碰撞问题，提出一种改进的人工势场法求取捡拾机械手末端的无碰撞路径，根据人工势场法工作原理，建立了引力、斥力及合力势场函数，在原有斥力势场函数的基础上增加了捡拾机械手末端与目标点之间的距离项，将障碍物半径引入到斥力场函数，解决了传统人工势场法目标不可达缺陷。利用AABB包围盒碰撞检测算法判断捡拾机械手是否与障碍物发生碰撞，求得捡拾机械手末端坐标。采用分段五次多项式插值法进行关节空间轨迹规划，得到各个关节的运动曲线。
然后，采用拉格朗日法对捡拾机械手进行动力学建模，在SOLIDWORKS仿真平台中建立各连杆的三维模型，利用软件自带功能进行参数辨识，通过对多自由度机器人动力学方程的推导，得出捡拾机械手的动力学方程。应用捡拾机械手逆运动学模型求解出每个路径点所对应的各关节角度，采用分段五次多项式插值法对其进行轨迹规划，将各关节最大速度、加速度和转矩设为限制条件，设置各关节初末速度和加速度为零，各段五次多项式连接处保证角位移、角速度和角加速度相等，完成捡拾机械手的轨迹规划任务。
参考文献（略）