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基于激光引导的SCARA的轨迹规划与优化

信息技术与网络安全

王锴，关胜晓

(中国科学技术大学信息科学技术学院，安徽合肥230026)

摘要： 多数应用场景中，SCARA机械臂的工作路径为固定的模式，为结合视觉信息，优化控制方式，采用激光打样的方式引导SCARA动作。以桃子TZ-500 SCARA机械臂和MATLAB为实验平台，使用D-H坐标系法建立机械臂的运动学模型，得到其工作空间。针对点到点的轨迹，采用五次多项式插值法完成在关节空间内的规划。灵活的多点轨迹，使用三次B样条曲线插值法规划得到相邻点的三次轨迹，对于起始时刻和终止时刻加速度不为零的问题，设计了修正因子，保证加速度为零，有效降低冲击。为了缩短运行时间，结合约束条件和应用场景设计了新的罚函数，并对遗传算法的选择和变异方向进行改进，加速筛选过程。实验结果表明，使用了改进后的遗传算法，得到轨迹的运行时间要优于优化前的轨迹，有效地提高了运行效率和精度。

關(guān)鍵詞： 激光引导 SCARA机械臂轨迹规划遗传算法

中圖分類號： TP241.2
文獻標(biāo)識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.02.010
引用格式：王鍇，關(guān)勝曉. 基于激光引導(dǎo)的SCARA的軌跡規(guī)劃與優(yōu)化[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2021，40(2)：56-65.

Trajectory planning and optimization of SCARA based on laser guidance

Wang Kai，Guan Shengxiao

(School of Information Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Abstract： In most application scenarios, the working path of SCARA robotic arms is fixed. In order to combine visual information and optimize the control method, laser proofing is used to guide SCARA actions. Using the Taozi TZ-500 SCARA robotic arm and MATLAB as the experimental platform, the D-H coordinate system method is used to establish the kinematics model of the robotic arm and obtain its working space. For the point-to-point trajectory, the paper uses the fifth-degree polynomial interpolation method to complete the planning in the joint space. For flexible multi-point trajectories, the cubic B-spline curve interpolation method is used to plan and obtain the cubic trajectories of adjacent points. For the problem that the acceleration at the start and end time is not zero, a correction factor is designed to ensure that the acceleration is zero. This method reduces the impact effectively. In order to shorten the running time, a new penalty function is designed in combination with constraint conditions and application scenarios. Improvement measures for the selection and mutation direction of genetic algorithms speed up the screening process. The experimental results show that using the improved genetic algorithm, the running time of the trajectory obtained is better than the trajectory before optimization, which effectively improves the operating efficiency and accuracy.

Key words : laser guidance；SCARA manipulator；trajectory planning；genetic algorithm

0 引言

隨著工業(yè)化進程的推進，采用機器代替人工已是大勢所趨。目前生產(chǎn)線上的機器人大多遵循固定的工作模式，對于沒有視覺信息的機械臂，其運動路徑一般由程序給定，如果要改變其路徑，則需通過手動示教或修改源程序的方式，而頻繁的手動控制無益于實現(xiàn)裝置的自動化。對于引入視覺信息的機械臂，可通過圖像或視頻算法識別環(huán)境信息，進而在線規(guī)劃運動方案，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。但在環(huán)境復(fù)雜的場合，如特殊天氣、光線昏暗、目標(biāo)物特征難以提取等條件下，識別檢測算法的復(fù)雜度將大幅提升，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，不利于實際項目的運用。工業(yè)生產(chǎn)線上，SCARA因其結(jié)構(gòu)相對簡單、運行穩(wěn)定高效的優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。在SCARA的設(shè)計工作上，學(xué)者們已經(jīng)取得了豐碩的成果，1984年，Adept公司設(shè)計制造出第一臺SCARA機器人，從此奠定了后世SCARA結(jié)構(gòu)的雛形[1]。如今的研究工作多集中于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如張紅等采用有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化方法實現(xiàn)了小臂的輕量化[2]。為結(jié)合視覺信息，Hill和Park于1979年提出了視覺伺服的概念，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，手眼視覺伺服、場景視覺伺服系統(tǒng)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)[3]。軌跡規(guī)劃中，多項式插值是主流方法，張秀林利用B樣條曲線對關(guān)節(jié)軌跡進行逼近，基于非均勻變異，使用改進的遺傳算法求得最優(yōu)時間，完成了最優(yōu)軌跡規(guī)劃[4]。

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作者信息:

王鍇，關(guān)勝曉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230026)

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