基于多目标的粒子群优化算法双臂机器人避障轨迹规划

夏涛涛; 张立勇; 王冠博; 余飞鹏; 王直荣; 管洪杰; 王晶; 王泽星

doi:null

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于多目标的粒子群优化算法双臂机器人避障轨迹规划

更新时间：2026-04-30

- 基于多目标的粒子群优化算法双臂机器人避障轨迹规划
- Multi-objective particle swarm optimization algorithm for trajectory planning of obstacle avoidance in dual-arm robots
- 机械传动 2026年页码：1-10
- 作者机构：
  
  1.安徽科技工程大学智能制造学院，滁州 239000
  2.江苏中工高端装备研究院有限公司，泰州 225400
  3.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司，郑州 450001
  4.常州检验检测标准认证研究院，常州 213164
  5.郑机所（郑州）传动科技有限公司，郑州 450001］
- 作者简介：
  
  夏涛涛，男，1999年生，安徽合肥人，在读研究生；主要研究方向为机械；877801900@qq.com。
  王冠博（通信作者），男，1985年生，河南郑州人，硕士；主要研究方向为机械；info@australiarobot.com.au。
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2024YFB4708700);安徽省科技厅重点研发计划项目(2022a05020063);安徽省教育厅高校协同创新项目(GXXT-2023-099);江苏省市场监督管理局科技计划项目(KJ2025020);安徽省科技厅农业物质技术装备领域揭榜挂帅项目(S202320230906020016);2023年蚌埠市科技计划项目(2023gx10);天长智能研究院项目(tzy202330);安徽科技学院人才项目(RCYJ201904);2023年江苏省产学研合作项目(BY20230553)
- DOI：
  中图分类号： TP242
- 收稿：2026-01-05，
  
  修回：2026-01-27，
  
  录用：2026-01-28，
  
  网络首发：2026-04-24，
- 稿件说明：
移动端阅览
夏涛涛，张立勇，王冠博，等.基于多目标的粒子群优化算法双臂机器人避障轨迹规划［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-10.

XIA Taotao，ZHANG Liyong，WANG Guanbo，et al.Multi-objective particle swarm optimization algorithm for trajectory planning of obstacle avoidance in dual-arm robots［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-10.
夏涛涛，张立勇，王冠博，等.基于多目标的粒子群优化算法双臂机器人避障轨迹规划［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI：

XIA Taotao，ZHANG Liyong，WANG Guanbo，et al.Multi-objective particle swarm optimization algorithm for trajectory planning of obstacle avoidance in dual-arm robots［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI：

摘要

目的

针对双臂机器人避障轨迹规划中单一目标优化易局部最优、碰撞检测与规划协同性不足的问题，提出一种自适应多目标粒子群优化算法。

方法

采用D-H参数法建立运动学模型，利用五次多项式插值进行关节空间轨迹规划，结合有向包围盒法、分离轴定理及连续碰撞检测实现精确碰撞检测。以路径长度、碰撞风险及运动平滑度为优化目标，动态调整权重及算法参数，并根据环境风险分级选择最终策略。

结果

结果表明，自适应多目标粒子群优化算法收敛速度快、精度高；优化后关节角速度与角加速度的变化次数显著减少，关节冲击明显降低；在空载与负载工况下，末端位置重复性满足精度要求，各关节速度处于安全约束范围内。该算法实现了从“碰撞后重规划”到“主动预防”的升级，有效降低关节能耗与损伤风险，提升运动平滑性，延长使用寿命。

Abstract

Objective

To address the problems of a single-objective optimization easily falling into local optima and the insufficient coordination between the collision detection and the planning in the obstacle avoidance trajectory planning for dual-arm robots

an adaptive multi-objective particle swarm optimization algorithm was proposed.

Methods

The kinematic model was established by using the D-H parameter method. Trajectory planning in the joint space was carried out by means of the quintic polynomial interpolation. Accurate collision detection was achieved by combining the oriented bounding box method

the separating axis theorem

and continuous collision detection. The path length

collision risk

and motion smoothness were taken as optimization objectives. The weights and algorithm parameters were dynamically adjusted

and the final strategy was selected according to the environmental risk classification.

Results

The results show that the adaptive multi-objective particle swarm optimization algorithm exhibits the fast convergence speed and the high precision. After optimization

the numbers of changes in the joint angular velocity and the angular acceleration are significantly reduced

and joint impact is obviously decreased. Under both no-load and load conditions

the end-effector position repeatability satisfies the accuracy requirements

and all joint velocities remain within the safe constraint ranges. The proposed algorithm achieves an upgrade from “post-collision replanning” to “active prevention”

effectively reducing joint energy consumption and damage risk

and improving motion smoothness and service life.

关键词

Keywords

references

万琴，宁顺兴，李智，等 . 6DOF机械臂运动学分析与轨迹规划仿真［J］. 制造业自动化， 2024 ， 46 （ 4 ）： 42 - 47 .

WAN Qin ， NING Shunxing ， LI Zhi ， et al . Kinematics analysis and trajectory planning simulation of 6DOF manipulator ［J］. Manufacturing Automation ， 2024 ， 46 （ 4 ）： 42 - 47 .

张红彬，常旭 . 协作机器人分段式轨迹规划算法研究［J］. 智能计算机与应用， 2024 ， 14 （ 7 ）： 120 - 127 .

ZHANG Hongbin ， CHANG Xu . Research on trajectory planning algorithm based on collaborative robot ［J］. Intelligent Computer and Applications ， 2024 ， 14 （ 7 ）： 120 - 127 .

冯斌，刘峰，郑飂默 . 基于粒子群算法的机器人关节空间最优运动轨迹规划［J］. 组合机床与自动化加工技术， 2018 （ 5 ）： 1 - 4 .

FENG Bin ， LIU Feng ， ZHENG Liaomo . Optimal motion trajectory planning of robot joint space based on particle swarm optimizaton ［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique ， 2018 （ 5 ）： 1 - 4 .

张瑞雪，蒋序帆，尹旭悦，等 . 基于改进RRT算法与三维碰撞检测的冗余机械臂高效路径规划［J］. 船舶标准化工程师， 2025 ， 58 （ 1 ）： 66 - 73 .

ZHANG Ruixue ， JIANG Xufan ， YIN Xuyue ， et al . Efficient path planning for redundant manipulators based on improved RRT algorithm and 3D collision detection ［J］. Ship Standardization Engineer ， 2025 ， 58 （ 1 ）： 66 - 73 .

刘璇，贾立超，王清，等 . 基于改进二阶扩张状态观测器协作机器人碰撞检测研究［J］. 制造业自动化， 2024 ， 46 （ 11 ）： 9 - 17 .

LIU Xuan ， JIA Lichao ， WANG Qing ， et al . Research on collaborative robot collision detection based on improved second-order extended state observer ［J］. Manufacturing Automation ， 2024 ， 46 （ 11 ）： 9 - 17 .

王栎，游有鹏，何健，等 . 基于钣金件层次包围盒的折弯碰撞检测方法［J］. 机械制造与自动化， 2023 ， 52 （ 4 ）： 185 - 188 .

WANG Li ， YOU Youpeng ， HE Jian ， et al . Collision detection method based on hierarchical bounding box of sheet metal bending ［J］. Machine Building & Automation ， 2023 ， 52 （ 4 ）： 185 - 188 .

杨俊豪，王炳炎，王坤，等 . 基于UR5机器人的水下清洗装置工作空间分析及优化［J］. 机械工程师， 2023 （ 5 ）： 88 - 91 .

YANG Junhao ， WANG Bingyan ， WANG Kun ， et al . Workspace analysis and optimization of underwater cleaning device based on UR5 robot ［J］. Mechanical Engineer ， 2023 （ 5 ）： 88 - 91 .

王桂荣，倪志强，周坤，等 . 多策略改进粒子群算法的机械臂时间最优轨迹规划［J］. 中国机械工程， 2025 ， 36 （ 5 ）： 1044 - 1053 .

WANG Guirong ， NI Zhiqiang ， ZHOU Kun ， et al . Time-optimal trajectory planning of robotic arms based on MIPSO algorithm ［J］. China Mechanical Engineering ， 2025 ， 36 （ 5 ）： 1044 - 1053 .

HE X Y ， ZHANG Y ， GAO X Y ， et al . Research on trajectory planning of dual-arm cooperative robot ［J］. Journal of Physics：Conference Series ， 2021 ， 1820 （ 1 ）： 012025 .

迪茹侠，封静敏，汤萍，等 . 基于MATLAB的工业机器人运动学建模机理研究［J］. 内燃机与配件， 2024 （ 5 ）： 114 - 116 .

DI Ruxia ， FENG Jingmin ， TANG Ping ， et al . Research on kinematics modeling mechanism of industrial robot based on MATLAB ［J］. Internal Combustion Engine & Parts ， 2024 （ 5 ）： 114 - 116 .

熊睿洋，贾剑平，胡瑢华，等 . 基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 5 ）： 1254 - 1260 .

XIONG Ruiyang ， JIA Jianping ， HU Ronghua ， et al . Robot trajectory planning based on 4-1-4 spline interpolation with the same interpolation time ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 5 ）： 1254 - 1260 .

张振翮，杨蹈宇，舒奕彬，等 . 改进粒子群优化算法在搬运机器人机械臂中的应用［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 8 ）： 49 - 56 .

ZHANG Zhenhe ， YANG Daoyu ， SHU Yibin ， et al . Application of an improved particle swarm optimization algorithm in the robotic arm of a handling robot ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 8 ）： 49 - 56 .

QUAN W S ， ZOU D H ， XI C Y ， et al . Simulation research on trajectory planning of double-arm cooperative live working robot for transmission lines ［J］. Journal of Physics：Conference Series ， 2023 ， 2433 （ 1 ）： 012013 .

韩冬，崔艳，杨培林，等 . 空间双臂机器人机械臂最优轨迹规划仿真［J］. 计算机仿真， 2018 ， 35 （ 10 ）： 333 - 339 .

HAN Dong ， CUI Yan ， YANG Peilin ， et al . Simulation of trajectory planning for minimizing base reaction and manipulators jerk of dual-arm space robot ［J］. Computer Simulation ， 2018 ， 35 （ 10 ）： 333 - 339 .

LAN J Y ， XIE Y G ， LIU G J ， et al . A multi-objective trajectory planning method for collaborative robot ［J］. Electronics ， 2020 ， 9 （ 5 ）： 859 .

NONOYAMA K ， LIU Z A ， FUJIWARA T ， et al . Energy-efficient robot configuration and motion planning using genetic algorithm and particle swarm optimization ［J］. Energies ， 2022 ， 15 （ 6 ）： 2074 .

袁磊 . 基于改进遗传粒子群混合算法的机械臂时间最优轨迹规划［J］. 海南大学学报（自然科学版中英文）， 2025 ， 43 （ 3 ）： 275 - 281 .

YUAN Lei . Time-optimal trajectory planning for manipulator based on improved genetic particle swarm optimization hybrid algorithm ［J］. Natural Science of Hainan University ， 2025 ， 43 （ 3 ）： 275 - 281 .

李骏，赵青，李立君，等 . 基于改进粒子群算法的油茶花粉采摘机械臂轨迹规划［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 2 ）： 86 - 92 .

LI Jun ， ZHAO Qing ， LI Lijun ， et al . Trajectory planning of camellia oleifera pollen picking manipulators based on an improved particle swarm optimization algorithm ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 2 ）： 86 - 92 .

郭鑫，李立君 . 基于人工免疫-改进粒子群优化算法的机械臂轨迹规划研究［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 5 ）： 33 - 40 .

GUO Xin ， LI Lijun . Trajectory planning of manipulators based on artificial immune-improved particle swarm optimization algorithm ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 5 ）： 33 - 40 .

林志峰 . 双臂机器人协调运动规划方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021 ： 39 - 44 .

LIN Zhifeng . Research on coordinated motion planning of dual manipulator ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2021 ： 39 - 44 .

李子依，丁力，马瑞，等 . 六自由度工业机器人运动可靠性分析［J］. 机械强度， 2024 ， 46 （ 4 ）： 924 - 931 .

LI Ziyi ， DING Li ， MA Rui ， et al . Motion reliability analysis of a 6-DOF industrial robot ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 4 ）： 924 - 931 .

LUKÁŠ D ， KOT T . Hierarchical real-time optimal planning of collision-free trajectories of collaborative robots ［J］. Journal of Intelligent & Robotic Systems ， 2023 ， 107 （ 4 ）： 57 .

李美强，马庆禄，闫浩，等 . 多自由度机械臂关节运动控制研究［J］. 机械强度， 2025 ， 47 （ 2 ）： 147 - 158 .

LI Meiqiang ， MA Qinglu ， YAN Hao ， et al . Research on joint motion control for multi-degree-of-freedom manipulator ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2025 ， 47 （ 2 ）： 147 - 158 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

外骨骼式上肢康复机器人机构设计与运动学研究

基于改进PSO算法的钢箱梁内喷砂机器人轨迹规划研究

基于相贯线焊缝的机器人焊接轨迹优化

一种“长征”轨迹的新能源车结构设计与仿真分析

基于改进灰狼算法的交叉滚子轴承自动装配机械臂轨迹规划