摘要：如今，工业机器人在各个领域和各个行业都运用的非常广泛，关于工业机器人机械臂运动路径设计及模型求解研究是近年来比较新兴的话题，本文的研究与探析会具有一定的现实价值和作用。本文将主要通过工业机器人的模型结构分析与机器人模型建立、求解与结果的解读，提出相应的规划、设计模型的编码方式。
关键词：六自由度机械臂；遗传算法；避碰问题；机械臂设计
众所周知，工业机器人是近几年来比较新兴的研究成果，运用范围非常广泛，而工业机器人机械臂运动路径的设计问题是机器人设计环节中亟待解决的问题，本文将主要就机器人机械臂的几种运动状态，诸如在无障碍空间中的沿已知曲线的运动方式、在无障碍空间中从点到点的运动方式以及在有障碍空间中从点到点的运动方式等运动状态，从其中不同的运动方式中给出相应的解决方案，提出不同的设计方法和算法指令。
一、机器人模型结构分析
如果想要设计好工业机器人机械臂的运动路径，首先要研究好机器人的整体模型结构。我们知道，机器人运作的路径是从起始位置转换到目标点位置，假设其中机器人运作的整个流程中会出现的各种动作和各种姿势，工业机器人从起始位置到目标点位置间的各个连杆的位置与相对的空间关系是一定的，那么，我们就可以开始推算出各个连杆坐标系相互之间的奇次变换矩阵。而根据这些得出的奇次变换矩阵的排列方式，来求得相应的数据，诸如，要想求出与指尖最邻近的目标点位置的旋转角度，需要明确非线性的规划模式；要想求出初始位置旋转角度与所知目标点旋转角度的差值，就需要清楚机械臂指尖与最邻近目标点位置的旋转角度。
众所周知，机器人运作的范围内会有很多的障碍物，障碍物的形状、大小、方向皆不相同，为确保工业机器人的完整性，就需要相关人员用算法计算出工业机器人机械臂的运动路径，避免碰撞上区域内的障碍物。虽然障碍物的形状、大小、方向皆不相同，但所幸位置是已知的，只要通过明确障碍物的区域范围，精确设计工业机器人机械臂的运动路径，防止机械臂碰撞障碍物，就能确保工业机器人机械臂的正常运行。
二、模型建立、求解与结果分析
（一）模型建立与求解方法
首先，根据六个关节点与机器人机械臂的起始状态建立一个四点的参数坐标系（D-H四点参数），六个关节点主要是根据现有的六自由度的工业机器人模型得出。模型建立之后，就可以最终通过机器人机械臂的运动学逆解方程反向推算出机械臂的旋转角度。具体算法过程是先根据六自由度的四点参数，计算出各个连杆间的奇次变换矩阵，再将所得数据相乘，就能够能到六自由度机械臂机器人的综合变换矩阵，从总变换矩阵中利用机器人机械臂的运动学方程进一步得出各个机械臂的指尖坐标位置，最后逆解即可得出结果。
我们知道，数据算法是为了能够得出更为精确的数据和尽最大可能得到与目标相近的计算结果。而为了达到这一目的，我们采取在Mat-lab软件的支持下，利用其中的遗传算法来获得最接近和最相似的目标点和旋转角度，以此举来打破角度和范围位置带来的阻碍，获取最终正确位置的旋转角度。但是因为目标函数的复杂性，设计算法要根据具体情况进行具体分析，本文主要通过转角遗传算法进行计算与求解，仅提供一个借鉴。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（二）具体编码过程
（1）适应度函数
具体编码过程中利用适用度函数进行求解与计算时，一般来说，实际适应度越大，求解的最终结果质量就越优。因此，本文选取的求解方式最好，所最终得到的机器人机械臂目标点与旋转角度是最优的。
（2）运行参数
当我们利用遗传算法获得具体的机械臂选择角度参数时，就能够求得起始点与目标点变换数据，通过机械臂从起始指尖移动到下个点的运动动作过程，建立一个数学模型和运行参数。在建立数学模型时，选取的运行参数应为最优，诸如，选取的机械臂动作数据最少的时刻作为基础目标函数，选取的制约条件是，机械臂各个节点的旋转角度和选择的变化量。由此得出的结论，往往是最具准确性的。
（3）编码解码
具体编码过程中的编码解码指的是一方面采取相同长度的十进制编码，另一方面选取可用的节点旋转角度进行整合编码，来形成一个基因，当足够六个基因时，进而形成一个整体，进行相应解码工作。
（4）遗传算子
我们知道，遗传算子的编码过程包含交叉算子和选择算子的计算方式。交叉算子方面，一般来说，采取单点交叉算子的方式。首先，根据每一组互相配对的个体，进行随机性的设置，选取某一个基因座后的地方作为一个交叉点。其次，根据每一组互相配对的个体，依照随机设置的交叉概率在它们的交叉处附近选取两个个体的片面的染色体，使它们产生新生染色体。
选择算子方面，一般来说，几乎采用的都是比例选择的方法。首先，优先核算出所有群体中包含个体的适应度的总数。其次，根据计算出的总数，分别计算出所有个体的相对适应度的数据，这个数据即为每个个体被遗传的大体概率。
三、结论
综上所述，本文在设计案例中采取了全新的设计模式和设计思维，主要阐述了工业机器人机械臂在运动路径设计中会出现的问题和障碍，通过建立数据模型进行求解与分析，解决了机械臂碰撞障碍物运动路径的问题，并进而叙述了具体的编码过程，为其他工业模型设计提供了一定的借鉴与思考。我们有理由相信，工业机器人设计的未来是广阔、明朗和极具发展前景的。
参考文献：
[1]孙志杰，王善军，张雪鑫.工业机器人发展现状与趋势[J].吉林工程技术师范学院学报.2011（07）：61-62.
[2]李宇剑，巢明.我国工业机器人产业现状与发展战略探讨 [J].制造业自动化.2010（15）：106-108.
[3]周雪峰，江励，朱海飞，等.一个模块化机器人平台的设计[J].华南理工大学学报（自然科学版）.2011，39（4）：50-55，61.
[4]王伟，谢明红，周国义.DOF工业机器人逆解优化及其工作空间的研究_王伟 机械与电子，2011（1）
[5]杨德伟，冯祖仁，张翔.新型三臂巡线机器人机构设计及运动分析[J].西安交通大学学报，2012，（09）
论文作者:张龙祥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：机器人论文; 机械论文; 工业论文; 模型论文; 算子论文; 角度论文; 位置论文; 《电力设备》2018年第23期论文;