关键词：
超冗余度机械臂
可变几何结构桁架
动力学建模
逆运动学
控制
摘要：
机器人是先进制造、航空航天等高精端产业的关键支撑装备,其研发与应用是衡量一个国家科技创新、高端制造发展水平的重要标志。超冗余度机械臂是指含有自由度数目远多于完成某一作业任务所需的最少自由度的机械臂。和传统的工业机器人相比较,超冗余度机械臂在灵敏度、工作空间、回避障碍性能等方面具有巨大的优势,另外还具有很好的容错性和鲁棒性,因此成为了当前机器人技术发展的一个重要方向。对超冗余度机械臂的研究不但具有良好的科学意义,而且具有工程应用价值。本学位论文在国家自然科学基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重点项目(14ZZ021)和上海市自然科学基金(14ZR1421000)的资助下,对超冗余度机械臂的动力学建模与逆运动学分析进行研究,主要研究工作如下:(1)对一类平面超冗余度机械臂的动力学建模和逆运动学分析进行了研究。在平面超冗余度机械臂的动力学建模研究中,首先对系统进行运动学分析,以得出系统关节坐标与系统独立坐标之间的关系;然后采用Jourdain速度变分原理建立起系统基于独立坐标的动力学方程,为后续的主动控制设计提供模型保证。要使超冗余度机械臂完成某项任务,如末端平台中心从一个点到达另一个点(点-点位置问题)、末端平台从一种位姿到达另一种位姿(位姿问题),必须对超冗余度机械臂的逆运动学进行研究。本文使用一种几何方法来解决该类平面超冗余度机械臂的逆运动学问题,该方法的基本思想是寻找一条“脊骨曲线”来描述平面超冗余度机械臂的宏观几何构型,使得系统的逆运动学问题简化为脊骨曲线的求解问题。本文采用不同的几何图形来描述脊骨曲线,例如,对于点-点位置问题,由于系统具有三个给定的几何条件,分别为平面超冗余度机械臂的始端平台中心位置、始端平台姿态和末端平台中心位置,故采用平面圆弧来描述脊骨曲线;对于位姿问题,由于系统具有四个给定的几何条件,分别为平面超冗余度机械臂的始端平台中心位置、始端平台姿态、末端平台中心位置和末端平台姿态,故采用平面椭圆弧来描述脊骨曲线。最后,本文以四模块的平面超冗余度机械臂为例进行数值仿真,验证了本文方法的有效性。(2)对可变几何结构桁架机械臂的动力学建模进行了研究。本文分别采用笛卡尔坐标方法和独立坐标方法对可变几何结构桁架机械臂的动力学建模进行了研究。在笛卡尔坐标方法中,简要介绍了系统中各种铰的标准约束方程,然后建立单刚体的动力学方程,继而通过引入拉格朗日乘子得到了系统的动力学方程。在独立坐标方法中,首先对系统进行运动学分析,以得出系统笛卡尔坐标与系统广义独立坐标之间的关系;然后采用Jourdain速度变分原理建立起系统基于独立坐标的动力学方程。最后,本文将采用两种建模方法所得到的动力学建模的仿真结果与ADAMS软件的仿真结果进行对比,验证了本文所建动力学模型的正确性。此外,本文还对可变几何结构桁架机械臂的主动控制进行了研究,得到了适合于可变几何结构桁架机械臂的控制律。(3)对一类空间超冗余度机械臂的逆运动学分析进行了研究。本文所采用的空间超冗余度机械臂是由若干个双八面体可变几何桁架所构成,故其逆运动学就是计算机械臂运动过程中各个双八面体可变几何桁架中的致动器的长度变化。本文使用“脊骨曲线”来描述空间超冗余度机械臂的宏观几何构型。在空间超冗余度机械臂的点-点位置问题中,有三个几何条件已知,分别为始端平台中心位置、始端平台姿态和末端平台中心位置,故本文采用空间圆弧来描述脊骨曲线;在空间超冗余度机械臂的位姿问题中,有四个几何条件已知,分别为始端平台中心点位置、始端平台姿态、末端平台中心点位置和末端平台姿态,故本文采用空间椭圆弧来描述脊骨曲线。最后,本文以包含四个双八面体可变几何桁架模块的空间超冗余度机械臂为对象进行数值仿真,验证了本文方法的有效性。
欢迎来到三峡大学图书馆！
