文档介绍：武汉科技大学 硕士学位论文 第 I 页
摘 要
在当今生产生活中移动机械臂发挥着越来越重要的作用，也引起了国内外研究学者
的广泛关注。研究的热点主要集中在移动机械臂的运动规划与控制方面，其中轨迹规划
是机械臂轨迹控制的基础，对机械臂的平稳性、运行效率、作业精确性和能量消耗具有
重要意义。本文综合考虑运动学约束和作业时间的约束，以时间最优，关节轨迹曲线的
位移、速度、加速度运动连续性作为优化目标，对机械臂的运动控制与轨迹规划算法展
开了研究，主要工作如下：
首先，总结了移动机械臂运动控制与轨迹规划问题的研究现状及研究方法，归纳了
各种轨迹规划的算法及其优化方法，阐述了本论文的选题背景和主要内容。
其次，建立和分析了移动机械臂的数学模型，以移动机械臂平台—MT-ARM 四自由
度模块化机械臂作为研究对象，采用 D-H(Denavit-Hartenberg)表示法建立了变换矩阵，得
到了正运动学方程，同时采用代数法推导了逆运动学方程，通过实验分析了所建立的正
逆运动学方程，仿真和实验结果表明，所建立模型的正确性，为轨迹规划奠定了基础；
建立了关节空间和笛卡尔空间的轨迹构造方法，推导了三维空间中直线、圆弧、样条曲
线的构造方程。提出了一种基于样条函数的机械臂时间最优轨迹设计方法，同时将关节
速度、加速度、加加速度及力矩的约束作为优化目标，利用样条曲线插值关节轨迹的位
置-时间节点序列，将时间最优轨迹规划问题转化为求解非线性约束优化问题。
再次，提出了一种基于遗传算法的机械臂轨迹优化方法，以运行的时间、移动的空
间距离和轨迹长度作为优化指标，同时考虑关节速度、加速度及力矩的约束，在有/无障
碍物工作环境中，通过仿真实验验证了所提出的方法，实验结果表明规划的轨迹满足了
相应的约束条件，同时位移、速度和加速度曲线光滑连续；为提高关节轨迹的平滑性，
将加加速度(冲击)平方的积分作为优化指标，采用三次样条曲线拟合关节轨迹，实验结果
表明所规划轨迹的关节位移、速度、加速度曲线连续，且冲击曲线有界。
最后，介绍了 MT-ARM 系统的体系结构，提出了一种可拓展模块化移动机械臂分散
-集中自主切换并协调的控制系统，该系统结合了分散控制在稳定性和控制精度方面与集
中控制在实时性和操作能力方面的优点，使得系统能够根据外部的感知信息，有选择地
采取合适的控制方式；同时设计了移动机械臂控制系统的软件，分析了系统的性能。
关键词：移动机械臂；运动控制；轨迹规划；时间最优；遗传算法
第 II 页 武汉科技大学 硕士学位论文
Abstract
In today's life and production, mobile manipulator plays an increasingly important role
and it also causes widespread research scholars’ concern at home and abroad. The research
mainly focuses on the mobile manipulator motion planning and control, and trajectory planning
is the basis for manipulator trajectory control and it has great significance, especially in the
aspects of smooth, operating efficiency, operating accuracy and energy consumption. This
paper considers both of the kinematic and the operating time constraints, and takes the optimal
operating time, the continuity of the joint displacement, velocity, ac