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杂交变异果蝇优化算法在冗余度机械手逆运动的应用研究

刘浩 姜长青

刘浩, 姜长青. 杂交变异果蝇优化算法在冗余度机械手逆运动的应用研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 747-754. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200356
引用本文: 刘浩, 姜长青. 杂交变异果蝇优化算法在冗余度机械手逆运动的应用研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 747-754. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200356
LIU Hao, JIANG Changqing. Application of Hybrid Mutation Fruit Fly Optimization Algorithm in Inverse Kinematics of Redundant Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 747-754. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200356
Citation: LIU Hao, JIANG Changqing. Application of Hybrid Mutation Fruit Fly Optimization Algorithm in Inverse Kinematics of Redundant Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 747-754. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200356

杂交变异果蝇优化算法在冗余度机械手逆运动的应用研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200356
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51777115

详细信息
    作者简介:

    刘浩(1985-), 硕士, 研究方向为机械设计与仿真, hsliuhaohs@163.com

    通讯作者:

    姜长青, 研究员, 博士, zxcxzq123@163.com

  • 中图分类号: TH16

Application of Hybrid Mutation Fruit Fly Optimization Algorithm in Inverse Kinematics of Redundant Manipulator

  • 摘要: 逆运动学问题是冗余度机器人运动控制、轨迹规划和动力学分析的基础, 也是机器人学中最重要的问题之一。针对末端执行器位姿的最小误差为优化目标, 建立了适应度函数, 将冗余度机械手的逆运动学问题转化为一个等价的优化问题, 在种群智能优化算法基础上应用了杂交变异果蝇优化算法(HMFOA)进行冗余度机械手逆运动学问题的求解。采用嗅觉搜索杂交突变机制和视觉搜索的动态实时更新机制, 能有效地解决果蝇优化算法(FOA)的收敛问题, 并提高算法的收敛速度。为进一步验证HMFOA的有效性, 在七自由度机械手上对HMFOA进行了测试, 对其结果与FOA、LGMS-FOA和AE-LGMS-FOA等算法进行了比较, 实验结果表明HMFOA能有效地解决冗余机械手的逆运动学问题。
  • 图  1  七自由度机械手示意图

    图  2  机械手结构示意简图

    图  3  HMFOA的实施步骤

    图  4  基准函数f1下的平均收敛曲线

    图  5  基准函数f2下的平均收敛曲线

    图  6  基准函数f3下的平均收敛曲线

    图  7  基准函数f4下的平均收敛曲线

    图  8  基准函数f5下的平均收敛曲线

    图  9  基准函数f6下的平均收敛曲线

    图  10  基准函数f7下的平均收敛曲线

    图  11  基准函数f8下的平均收敛曲线

    图  12  冗余度机械手的平均收敛曲线

    表  1  机械臂DH参数

    i di/
    mm
    θi/
    rad
    ai/
    mm
    αi/
    rad
    li/
    rad
    ui/
    mm
    1 452 0 -150 -90 -168.5 168.5
    2 0 0 -150 90 -143.5 43.5
    3 298 0 162 -90 -123.5 80
    4 0 -90 162 -90 -290 290
    5 470 180 42 -90 -88 138
    6 0 0 -42 90 -229 229
    7 49 0 0 0 -168.5 168.5
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    表  2  基准函数表达式

    测试函数 搜寻空间 优化值
    [-100, 100]D 0
    [-30, 30]D 0
    [-100, 100]D 0
    [-10, 10]D 0
    [-600, 600]D 0
    [-5.12, 5.12]D 0
    [-100, 100]D 0
    [-100, 100]D 0
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    表  3  不同算法下的数值统计

    名称 FOA LGMS-FOA AE-LGMS-FOA HMFOM
    最佳值 2.358 0.008 5 8.175 4×10-4 4.865 1×10-16
    最差值 5.878 1.508 2 1.358 8 0.095 8
    平均值 5.726 0.455 5 0.312 6 0.000 2
    标准差 0.492 0.423 8 0.302 9 0.012 6
    SR/% 0 0 0 95.2
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    表  4  各算法对应最佳适应度的逆运动学解

    θi/rad FOA LGMS-FOA AE-LGMS-FOA HMFOM
    θ1 0.099 -1.086 -2.622 -2.771
    θ2 -1.071 -2.505 -1.358 -1.252
    θ3 0.121 -0.425 -0.881 -1.162
    θ4 5.021 -4.528 -4.525 1.445
    θ5 0.068 1.362 0.004 0.382
    θ6 0.092 1.385 3.306 3.426
    θ7 0.092 0.375 -1.005 -0.318
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    表  5  各算法对应的位置误差

    nx, y FOA LGMS-FOA AE-LGMS-FOA HMFOM
    nx*-nx -7.019×10-1 5.241×10-17 -5.241×10-17 0
    ny*-ny -7.112×10-2 -1.111×10-16 0 0
    nz*-nz -5.308×10-1 -5.241×10-17 -1.111×10-16 0
    ox*-ox -0.235×10-1 -5.241×10-17 -5.241×10-17 -5.241×10-17
    oy*-oy 1.485 -2.775×10-17 -8.327×10-17 -1.111×10-16
    oz*-oz 1.458 0 1.111×10-16 0
    ax*-ax 5.239×10-1 2.231×10-16 1.111×10-16 1.111×10-16
    ay*-ay 5.253×10-1 -1.111×10-16 -2.234×10-16 0
    az*-az -5.441×10-1 0 -2.782×10-17 2.785×10-17
    px*-px 4.654×102 5.326×10-14 -8.015×10-2 -3.551×10-15
    py*-py 1.007×102 -8.625×10-1 -2.182×10-6 -1.421×10-14
    pz*-pz -2.952×102 3.982×10-3 0 0
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  • 收稿日期:  2020-07-17
  • 刊出日期:  2022-05-01

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