留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于改进粒子群算法的钻车机械手轨迹规划研究

申树策 史艳楠 宋建锋 任泽 王毅颖 王翰秋

申树策,史艳楠,宋建锋,等. 基于改进粒子群算法的钻车机械手轨迹规划研究[J]. 工矿自动化,2022,48(3):71-77, 85.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049
引用本文: 申树策,史艳楠,宋建锋,等. 基于改进粒子群算法的钻车机械手轨迹规划研究[J]. 工矿自动化,2022,48(3):71-77, 85.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049
SHEN Shuce, SHI Yannan, SONG Jianfeng, et al. Research on trajectory planning of drill rig manipulator based on improved particle swarm optimization[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(3):71-77, 85.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049
Citation: SHEN Shuce, SHI Yannan, SONG Jianfeng, et al. Research on trajectory planning of drill rig manipulator based on improved particle swarm optimization[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(3):71-77, 85.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049

基于改进粒子群算法的钻车机械手轨迹规划研究

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049
基金项目: 河北省自然科学基金资助项目(E2020402064);河北省创新能力提升计划项目(215676140H);邯郸市科学技术研究与发展计划项目(20312904002)。
详细信息
    作者简介:

    申树策(1996-),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要研究方向为机器人控制,E-mail:571094182@qq.com

    通讯作者:

    史艳楠(1988-),男,河南焦作人,讲师,博士,硕士研究生导师,主要研究方向为煤炭生态保护开采,E-mail:shiynchn@163.com

  • 中图分类号: TD421

Research on trajectory planning of drill rig manipulator based on improved particle swarm optimization

  • 摘要: 钻车机械手是防突防冲钻车的重要装置,关系着钻车是否可以正常钻进及真正实现无人化。为确保钻车机械手快速、准确、平稳运行,其轨迹规划优化尤为重要。现有钻车机械手轨迹规划存在阶次较高、优化算法易早熟等问题。针对上述问题,提出了一种基于改进粒子群(PSO)算法的钻车机械手时间最优轨迹规划方法。首先,利用标准Denavit−Hartenberg(D−H)构建钻车机械手三维模型,通过蒙特卡洛法得到钻车机械手的工作空间,从工作空间中选取4个途径点作为插值点。然后,为了使钻车机械手能够快速平稳地到达指定位置,在关节空间中采用3−5−3分段多项式插值构造其轨迹。最后,通过改进PSO算法对构造的轨迹进行时间最短优化,得到钻车机械手的时间最优轨迹规划。Matlab仿真结果表明:基于改进PSO算法的钻车机械手时间最优轨迹规划方法可以在保证钻车机械手各关节运行平稳的同时,使运行时间从3.1685 s减少到2.3854 s,整体运行时间较优化前减少约25%,提高了机械手的工作效率。

     

  • 图  1  钻车机械手整体结构

    1−回转器;2−机械手摆动油缸;3−托板;4−机械手伸缩油缸;5−机械手爪;6−仰角检测接近开关;7−俯角检测接近开关;8−机械手竖直回转减速器;9−导轨竖直回转减速器;10−夹持器。

    Figure  1.  Overall structure of drill rig manipulator

    图  2  标准D−H坐标系

    Figure  2.  Standard D-H coordinate system

    图  3  钻车机械手三维模型

    Figure  3.  3D model of drill rig manipulator

    图  4  钻车机械手工作空间

    Figure  4.  Workspace of drill rig manipulator

    图  5  3−5−3样条插值机械手关节位置曲线

    Figure  5.  Joint position curves of manipulator based on 3-5-3 spline interpolation

    图  7  3−5−3样条插值机械手关节加速度曲线

    Figure  7.  Joint acceleration curves of manipulator based on 3-5-3 spline interpolation

    图  6  3−5−3样条插值机械手关节速度曲线

    Figure  6.  Joint velocity curves of manipulator based on 3-5-3 spline interpolation

    图  8  改进PSO算法的适应度曲线

    Figure  8.  Fitness curve of improved PSO algorithm

    图  9  关节1最优粒子迭代过程

    Figure  9.  Optimal particle iteration process of joint 1

    图  10  优化后的机械手关节位置曲线

    Figure  10.  Joint position curves of optimized manipulator

    图  11  优化后的机械手关节速度曲线

    Figure  11.  Joint velocity curves of optimized manipulator

    图  12  优化后的机械手关节加速度曲线

    Figure  12.  Joint acceleration curves of optimized manipulator

    表  1  机械手D-H参数

    Table  1.   D−H parameters of manipulator

    关节θf /(°)df /mmaf /mmαf /(°)关节变量范围/(°)
    1θ126700[−127.5,127.5]
    2θ27020−90[0,60]
    下载: 导出CSV

    表  2  笛卡尔空间路径

    Table  2.   Cartesian space path mm

    抓杆点路径点1路径点2放杆点
    (0,704,267)(−277,653,267)(−460,548,267)(−657,−328,267)
    下载: 导出CSV

    表  3  关节空间的角度插值点

    Table  3.   Angle interpolation points in joint space

    关节位置关节1关节2
    β000
    β10.40120
    β20.69780
    β32.04100
    下载: 导出CSV

    表  4  各关节优化结果

    Table  4.   Optimization results of each joint s

    关节运行时间
    tj1tj2tj3
    关节10.64870.39191.3448
    关节2000
    下载: 导出CSV
  • [1] 卢新明,阚淑婷. 煤矿动力灾害本源预警方法关键技术与展望[J]. 煤炭学报,2020,45(增刊1):128-139.

    LU Xinming,KAN Shuting. Key technology and prospect of the original source early warning method for coal mine dynamic disaster[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(S1):128-139.
    [2] 国家煤矿安全监察局. 煤矿机器人重点研发目录[EB/OL]. [2021-08-13]. https://www.chinamine-safety.gov.cn/zfxxgk/fdzdgknr/tzgg/201901/t20190109_349156.shtml.

    National Coal Mine Safety Supervision Bureau. Catalogue of key research and development of coal mine robots [EB/OL]. [2021-08-13]. https://www.chinamine-safety.gov.cn/zfxxgk/fdzdgknr/tzgg/201901/t20190109_ 349156.shtml.
    [3] 付荣,居鹤华. 基于粒子群优化的时间最优机械臂轨迹规划算法[J]. 信息与控制,2011,40(6):802-808.

    FU Rong,JU Hehua. Time-optimal trajectory planning algorithm for manipulator based on PSO[J]. Information and Control,2011,40(6):802-808.
    [4] HUANG Junsen,HU Pengfei,WU Kaiyuan,et al. Optimal time-jerk trajectory planning for industrial robots[J]. Mechanism and Machine Theory,2018,121:530-544. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.11.006
    [5] 韩顺杰,单新超,于爱君,等. 基于改进粒子群算法的工业机器人轨迹规划[J]. 制造技术与机床,2021(4):9-14.

    HAN Shunjie,SHAN Xinchao,YU Aijun,et al. Industrial robot trajectory planning based on improved PSO algorithm[J]. Manufacturing Technology & Machine Tools,2021(4):9-14.
    [6] 陈晗,李林升. 基于复合形法的时间最优机械臂轨迹规划[J]. 机械传动,2019,43(3):72-75.

    CHEN Han,LI Linsheng. Trajectory planning of time optimal manipulator based on complex method[J]. Mechanical Transmission,2019,43(3):72-75.
    [7] 乐英,岳艳波. 六自由度机器人运动学仿真及轨迹规划[J]. 组合机床与自动化加工技术,2016(4):89-92.

    YUE Ying,YUE Yanbo. The kinematics simulation and trajectory planning of six-DOF robot[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2016(4):89-92.
    [8] 王学琨,李刚,周东凯,等. 基于DE的时间最优6−DOF机械臂轨迹规划算法[J]. 计算机仿真,2015,32(8):332-337. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2015.08.072

    WANG Xuekun,LI Gang,ZHOU Dongkai,et al. Time-optimal trajectory planning algorithm based on DE for 6-DOF manipulator[J]. Computer Simulation,2015,32(8):332-337. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2015.08.072
    [9] 赵明辉. 双臂并联煤矸石分拣机器人及其轨迹规划研究[J]. 工矿自动化,2020,46(9):57-63.

    ZHAO Minghui. Research on dual-arm parallel coal gangue sorting robot and its trajectory planning[J]. Industry and Mine Automation,2020,46(9):57-63.
    [10] 郭锐,石月,李永涛,等. 液压凿岩机器人机械臂轨迹规划研究[J]. 中国工程机械学报,2021,19(4):289-294.

    GUO Rui,SHI Yue,LI Yongtao,et al. Research on trajectory planning of hydraulic rock drilling robot manipulator[J]. Chinese Journal of Construction Machinery,2021,19(4):289-294.
    [11] 徐尤南,刘志强,陈洁. 基于粒子群算法的码垛机器人时间轨迹优化研究[J]. 华东交通大学学报,2021,38(3):75-81.

    XU Younan,LIU Zhiqiang,CHEN Jie. Time trajectory optimization of palletizing robot based on particle swarm optimization[J]. Journal of East China Jiaotong University,2021,38(3):75-81.
    [12] 赵丽娟,张海宁,岳海涛,等. 滚筒螺旋叶片的激光熔覆中机械臂路径轨迹研究[J]. 煤炭学报,2020,45(增刊2):1041-1051.

    ZHAO Lijuan,ZHANG Haining,YUE Haitao,et al. Path and trajectory of manipulator in laser cladding of shearer blade[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(S2):1041-1051.
    [13] 王晓丽,侯媛彬,王涛. 基于VC++的工业机器人轨迹规划研究[J]. 工矿自动化,2009,35( 5):34-37.

    WANG Xiaoli,HOU Yuanbin,WANG Tao. Research on trajectory planning of industrial robot based on VC++[J]. Industry and Mine Automation,2009,35( 5):34-37.
    [14] 李小为,胡立坤,王琥. 速度约束下PSO的六自由度机械臂时间最优轨迹规划[J]. 智能系统学报,2015,10(3):393-398.

    LI Xiaowei,HU Likun,WANG Hu. PSO-based time optimal trajectory planning for six degrees of freedom robot manipulators with speed constraints[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(3):393-398.
    [15] 黄超,茅健,马丽,等. 基于改进粒子群算法的时间最优机械臂轨迹规划[J]. 上海工程技术大学学报,2020,34(3):238-246.

    HUANG Chao,MAO Jian,MA Li,et al. Time-optimal trajectory planning for manipulator based on improved particle swarm optimization algorithm[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science,2020,34(3):238-246.
    [16] SHI Yannan,QI Penglei,LIU Yang,et al. Channel modeling and optimization of leaky coaxial cable network in coal mine based on state transition method and particle swarm optimization algorithm[J]. IEEE Access,2021,9:86889-86898. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3088842
  • 加载中
图(12) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  132
  • HTML全文浏览量:  78
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-14
  • 录用日期:  2022-03-07
  • 修回日期:  2022-01-26
  • 网络出版日期:  2022-03-10

目录

    /

    返回文章
    返回