论文总字数：23797字

摘 要

目前，机器人普遍使用于各种各业。它的生产技术迅猛进步，在弧焊、运输、保安和娱乐等领域发挥重要作用。这些应用都离不开避障路径规划，在运动空间有障碍物的时候，依照相应地评判指标，寻觅一条从初始点到目标点的最优路径，并且不发生任何碰撞，这就是避障路径规划。

本篇文章的探讨内容是ABB机器人。它拥有6个自由度，重点探究的内容是它的精确避障。在这方面，本文做了很多工作：第一步，从基本的理论对它的运动进行剖析。描述它的姿态，在此基础上推导各轴之间的联系。这一步的目的是建立D-H模型，得出机械臂运动时各轴间数学联系的正解和反解。第二步，介绍了几种避障算法，如人工势场法等。通过分析，本文选择人工势场法，和其他方法相比人工势场法更为简单有效，虽然有局部极小值的缺点，但可以加以改进来避免。最后，详细介绍对IRB 120机械臂，使用RobotStudio软件,给出了仿真系统具体的设计和实现方法，并进行仿真试验，证实了仿真系统是可行的并且是有效的。

关键字: 机械手臂 D-H模型 避障 仿真

The design and research of accurate obstacle avoidance for ABB mechanical arm

Abstract

Now, the development of robot technology and application is rapid, the robot is widely used in welding, transportation, security, entertainment and other industrial production. These applications cannot work without obstacle avoidance path planning. According to some evaluation standard, the task of path planning is finding an optimum path from the initial point to the target point without collision.

The main research of this paper is the obstacle avoidance of ABB industrial robot with six degrees of freedom. First, the paper introduces kinematics analysis of the robot, the description of the mechanical arm gesture, coordinate transformation, the D-H model and the solution for forward and inverse kinematics. Then, the paper introduces several kinds of obstacle avoidance algorithm, such as artificial potential field method, genetic algorithm, fuzzy algorithm. Compared with other methods, artificial potential field method is more simple and effective. Although it has the defect of local minimum value, this paper adopt the method because the defect can be improved. Finally, the paper introduce the details of the IRB 120 mechanical arm and use the simulation software which developed by ABB company to build simulation system. The design and implementation of the system are given, the test of obstacle avoidance verifies the feasibility and effectiveness of the proposed algorithm.

Key Words: mechanical arm; D-H model ; obstacle avoidance; simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景和研究意义 1

1.2机械臂发展现状与趋势 2

1.3避障路径规划概述 3

1.4本文的主要内容和结构安排 3

第二章 机械臂基础理论 5

2.1 机器人坐标系统 5

2.2 机械臂位姿描述 8

2.2.1 位置描述 8

2.2.2姿态描述 9

2.2.3 齐次变换 10

2.3 机械臂D-H建模 13

2.3.1概述 13

2.3.2连杆坐标系与坐标变换 13

2.4 运动学正反向求解 14

2.4.1空间6R机械臂正运动学 14

2.4.2空间6R机械臂逆运动学 17

第三章 避障算法分析 18

3.1 避障算法分析概述 18

3.2 人工势场法 18

3.2.1人工势场法概述 18

3.2.2传统人工势场法 19

3.3 遗传算法 20

3.3.1遗传算法概述 20

3.4 模糊避障算法 22

3.4.1 模糊算法简介 22

3.4.2模糊算法的结构 22

3.5三种方法优缺点分析 24

第四章 ABB机器人硬件及软件平台 26

4.1 ABB机械臂IRB 120 26

4.1.1 ABB工业机器人 26

4.1.2 ABB机器人的型号及参数 26

4.2 robot studio仿真软件平台 31

4.2.1 RobotStudio的安装 31

4.2.2 RobotStudio工作站的建立 32

4.2.3调用虚拟示教器 34

4.2.4 三个重要参数的设定 34

第五章 仿真系统实现及实验结果 36

5.1 仿真界面的搭建 36

5.2避障算法设计 37

5.2.1RAPID程序 37

5.2.2避障算法 38

5.2.3碰撞检测 39

5.2.4建立避障程序模块 40

5.3避障实验 42

第六章 总结与展望 46

6.1总结 46

6.2展望 46

参考文献 47

致 谢 49

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

科学不断变革，文明不断进步，如今人类的生活已经出现极其巨大的变化。生产力的飞跃，改变了人们的生活习惯，机器取代人力数十倍地增长了人类财富的聚集速度。人类社会从此进入高速发展时代。

在近代社会的发展历程中，机器人的发明是一个重大的转折点。它的出现将人类从沉重、繁多的劳动中释放出来，它还能从事一些不适合甚至超越人类能力的劳动，如在强辐射、强污染的环境下作业。机械和电子的完美结合，催生出了工业机器人。现在，它还在广泛吸收各种领域的研究成果，日后必然带动科学的整体发展。

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