摘 要

随着社会的高速发展，人工智能已经彻底融入了人类生活的方方面面，工业领域中机械的设计和生产对自动化科技即人工智能的需求不断增加，机械臂作为机器人的执行部件，是如今机器人课题研究中的较为重要部分。本项研究运用机械臂末端安装一个3D扫描仪扫描船舶推进轴系法兰精确对中得到法兰的图像，掌握法兰当前的位置姿态。通过在MATLAB中编写的函数建立六自由度机器人的三维模型,为六自由度机器人的运动路径轨迹的分析研究提供仿真平台。首先在SolidWorks中画出法兰模型，将其以stl文件格式导出，然后在MATLAB中加载法兰模型，得到法兰上每一个三角形网格的数据。三角形的中心落在扫描区域，并且法线与扫描仪的轴线满足一定的夹角要求即可认为该三角形被扫描到，大约得到60％三角形数据就能近似得到法兰的轮廓。然后在法兰外表面预规划扫描路径，满足要求的路径有若干条，利用常用来寻最优解的遗传算法对预规划的扫描路径进行优化，筛选得到满足要求的最短扫描路径即为最终所需的最优轨迹，并对比优化前后的适应度函数和路径长度变化。通过仿真可以避免实验中对机械臂和3D扫描仪造成的损坏，为后续实验研究工作的展开提供支持，也为工业机械臂往后在实际作业中提供理论数据支撑。

关键词：六自由度；机械臂；3D扫描仪；轨迹规划

Abstract

With the rapid development of society, artificial intelligence has been thoroughly integrated into all aspects of human life.The demand for automation technology, or artificial intelligence, in the design and production of machinery in industry is growing，as an executive part of robot, robot arm is an important part of robot research. In this study, a 3D scanner was installed at the end of the robotic arm to scan the precise alignment of the ship's propulsion shafting flange and obtain the image of the flange，to master the current position and attitude of the flange. The three-dimensional model of the six-degree-of-freedom robot is established by using the functions written in MATLAB, which provides a simulation platform for the analysis and research of the motion path trajectory of the six-degree-of-freedom robot. First draw the flange model in SolidWorks, export it in STL file format, then load the flange model in MATLAB, and get the data of each triangle grid on the flange. The center of the triangle falls in the scanning area, and the normal line and the axis of the scanner meet the requirements of a certain included Angle, it can be considered that the triangle has been scanned, about 60% of the triangle data can be approximately obtained flange contour. Then, pre-plan the scanning path on the outer surface of the flange, and there are quite a few paths that meet the requirements. The genetic algorithm, which is often used to find the optimal solution, is used to optimize the pre-planned scan path, and the shortest scan path that meets the requirements is selected as the optimal trajectory, then we can compare the changes of fitness function and path length before and after optimization The simulation can avoid the damage caused to the mechanical arm and 3D scanner in the experiment, and provide support for the subsequent experimental research work, as well as theoretical data support for the actual operation of the industrial mechanical arm in the future.

Key Words: Six Degrees of Freedom; Mechanical arm; 3D scanner; Trajectory planning

目 次

第1章 概述 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 机械臂的历史与发展 2

1.2.2 国内外研究现状 3

1.2.2.1 人工势场法 3

1.2.2.2 A*算法 3

1.2.2.3 遗传算法 4

1.3 本项研究目的及内容 4

1.3.1 研究目的 4

1.3.2 主要研究内容 4

第2章 系统工作原理及组成 5

2.1 主要设备 5

2.1.1 3D扫描仪的工作原理 7

2.1.2 机械臂工作原理 9

2.1.3 法兰模型介绍 9

2.1.3.1 法兰的作用 9

2.1.3.2 法兰的建模 10

2.2 扫描判定法则 10

2.3 本章小结 11

第3章 机械臂运动分析 13

3.1 机械臂D-H模型的建立 13

3.1.1 D-H坐标系 13

3.1.2 坐标系的建立原则 13

3.2 D-H表建立 13

3.3 本章小结 21

第4章 机械臂终点最优轨迹规划 22

4.1 预规划扫描路径 22

4.2 基于遗传算法的最优路径设计 25

4.2.1 遗传算法简介 25

4.2.2 运算过程 25

4.2.3 遗传算法路径优化27

4.3 仿真结果 28

4.4 本章小结 30

第5章 总结与展望 32

5.1 总结32

5.2 展望32

参考文献33

致谢35

第1章 概述

1.1 研究背景与意义

随着社会的不断进步和科学技术的迅速发展，工业中机械设计和生产对自动化科技即人工智能的需求不断增加,机器人的作用脱颖而出，极大程度上提高了生产效率，为人类带来了极大的便利，其中工业机械臂具有灵活的操作性,在工业生产、搬运、焊接、加工领域得到了广泛的应用。同时，为了更大程度上提升生产效率，即让机械臂在已知甚至是未知环境中按照预期运动精准、高效、稳定地完成工作，需要我们对机械臂运动轨迹有一个精确的规划。科技的飞速发展同时也带动了三维数字化技术的逐步成熟, 三维数字化信息的获取与处理技术也逐渐被各大领域接受认可并投入使用。3D扫描仪可以帮助我们通过扫描得到物体的原始三维信息, 用来分析实际物体本身的形状及外观数据, 将搜集到的数据进行三维重建计算, 创建出实际物体的模型,运用于各类型的仿真计算分析。