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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]
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    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)
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    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
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    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
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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

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