摘 要

“中国制造2025”的提出意味着中国工业智能化程度将迅猛提高。在劳动成本逐渐增加和人口红利减少的情况下，工业中的机器人运用率会迅速提高。到2016年为止，已经有25所高校申请开设机器人学院，机器人的研究被越来越多的人所重视。机械臂避障的研究是机器人研究的一个重点。

本文完成了一下两点工作：

1：对机械臂避障的研究背景与现状做简要的说明，后介绍了为了完成避障目的所用到的基础知识，运动学与避障方法。

2：在MATLAB2016a平台下进行仿真。文中根据设计条件选择了合适的避障方法，在MATLAB中完成所需要的算法编程实习此功能。最后用A*算法找到最优路径。完成仿真。

从仿真结果可以看出最终实现了planar机械臂避障功能。本文完成了低自由度的C空间避障。

关键词：机械臂，C—空间，A*算法，避障

Abstract

"China made 2025" means that China's industrial intelligence will be increased rapidly. In the case of increasing labor costs and reduced demographic dividends, the use of robots in industry will increase rapidly. By 2016, there have been 25 colleges and universities to apply for the establishment of robotics, robot research has been more and more people attention. The study of obstruction of manipulator is a focus of robot research. Complete simulation.

This article completed two things:

1: The background and present situation of the obstacle avoidance of the manipulator are briefly described. After that, the basic knowledge, kinematics and obstacle avoidance methods used to complete the avoidance goal are introduced.

2: Simulation in MATLAB2016a platform. In this paper, according to the design conditions, select the appropriate obstacle avoidance method, in MATLAB to complete the required algorithm programming practice this function. Finally, we use the A * algorithm to find the optimal path.

From the simulation results can be seen to achieve the ultimate obstruction function of the planar arm. This paper completes the low degree of freedom of C space obstacle avoidance.

Key word：Manipulator, C - space, A* algorithm，Obstacle avoidance

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 机械臂避障技术及其研究现状 2

1.2.1 机械臂避障技术研究现状 2

1.2.2 机械臂避障技术 4

1.3 设计基本内容和采用方案 5

1.3.1 基本内容 5

1.3.2 采用方案 5

第2章 机器人运动学 6

2.1 机器人的齐次矩阵表达 6

2.1.1 机械臂结构分析 6

2.1.2 机械臂的齐次矩阵表达 7

2.2 机器人的正逆向运动学 10

第3章 避障方法 12

3.1 C空间避障法介绍与障碍物C空间映射 12

3.1.1 C空间避障法介绍 12

3.1.2 障碍物C空间映射 13

3.1.3 多自由度C空间法运用 16

3.2 W空间避障法介绍 17

3.3 避障方法的确定 18

第4章 C空间映射图中避障路径规划 19

4.1 路径搜索的实现 19

4.1.1 几何信息描述方法 19

4.1.2 C空间障碍的栅格化 20

4.1.3 栅格信息图填充 21

4.2 A*路径搜索算法 23

第5章 MATlAB中仿真 26

5.1 设计目的 26

5.2 仿真条件说明 26

5.3 仿真结果 27

第6章 结论与展望 35

6.1 结论 35

6.2 展望 35

参考文献 37

附录 38

致谢 43

第一章 绪论

1.1 课题背景

随着“工业4.0”的到来，世界工业化程度正在以前所未有的进度提高。工业4.0强调的是传统工业和信息技术的完美耦合。我国也随之提出了“中国制造2025计划”。然而衡量一个国家的工业化程度，很大一部分取决于这个国家拥有的机器人数量及机器人的质量。

机器人是一种能够自动完成工作的机器装置。它可以通过编程的方式来受人指挥，也可以依据人工智能技术原则纲领行动。它是用来帮助人类工作的一种智能装置，广泛运用于生产业、建筑业，或是危险的工作中。

表现我们国家高端制造业水平和科技创新能力的重要标志是机器人的设计制造与应用，当前我国正从中国制造向中国“智”造转变，想要通过机器人技术，带动我国产业链的升级，通过机器人研究实施创新以驱动发展是我国的当前国策，为此，我国的国家中长期科学和技术发展纲要，前沿计划，以及863计划，均强调智能机器人是永恒不变的主题。机器人的主要执行装置就是机械臂，故在进行机器人运动学的研究中一个重要的对象就是机械臂。机械臂存在的主要技术难点是如何避障，这就导致机器人避障相关研究尤为重要。机械臂的灵活度是机器人智能程度的一个重要因素，机器人的质量指标之一就是其机械臂的自由度，一个国家的工业水平很大一部分都体现在机械臂的质量上。在很多工业场合中，一个机器人就是一个机械臂。如襄阳东风汽车装配厂的拧螺丝用机器人就是一个机械臂。

世界各地至少有50个国家正在大力的进行机器人技术研究。日本的川崎、安川、松下、OTC 、FANUC、松下等，欧美地区的德国的KUKA、瑞典的ClOGS，ABB，奥地利的IUM公司及意大利的COMAU等^[18]。我国到目前为止有60余家上市公司进入机器人行业，表现较为优秀的是沈阳新松机器人。世界上第一台机械臂即是一台六自由度机械臂PUMA560。