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基于关节单元库的模块化机械臂的优化与分析

作　者: 牛帅
导　师: 吴伟国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 模块化机械臂 关节单元 性能指标 轨迹规划 遗传算法 优化模型
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


模块化机械臂的基本组成元件是关节单元,可以根据实际情况组合出不同规格的机械臂,能够适应多变的工作环境和任务要求,近年来已成为机器人研究的一个新的热点问题,引起了国内外众多学者的关注。本文基于构建的关节库,主要研究内容包括机械臂臂长优化、轨迹规划以及实例仿真等部分。首先,本文提出了三种不同的运动学性能指标,三种性能指标具有不同的应用范围,结合模块化机械臂的特点,分别优化了两自由度、三自由度以及六自由度机械臂的臂长,获得机械臂杆长的最佳比例关系。然后,本文根据模块化原则设计了一种关节单元,构建了包含48个关节单元的单元库,并对构件进行了速度分析,用Newton-Euler法推导出了机械臂关节力矩递推公式。根据机械臂的动力学特性,提出了三种动力学性能评价指标,并在此基础上构造了模块化机械臂多目标优化模型。此外,本文提出了模块化机械臂运动学问题的新方法,在此基础上利用杆件参数优化结果,对4-DOF模块化机械臂进行了直线轨迹规划,对于6-DOF机械臂,采用4-3-4多项式轨迹在关节空间进行了轨迹规划,绘出了轨迹曲线,生成了轨迹样本。最后,在构建的关节单元库的基础上,本文分别利用遗传算法和一般优化算法,遴选出6-DOF和4-DOF模块化机械臂的关节单元组合,运用ADAMS进行虚拟样机仿真,经过验证,两组关节单元组合均满足了约束条件。从仿真结果可以得出结论,本文所研究的机械臂关节单元优化组合方法可行。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题来源及研究目的和意义  9
  1.2 国内外相关领域的研究现状  9-15
    1.2.1 国外模块化机器人研究现状  9-13
    1.2.2 国内模块化机器人研究现状  13
    1.2.3 机械臂运动学性能指标研究现状  13-14
    1.2.4 分析与总结  14-15
  1.3 课题主要研究内容  15-16
第2章 模块化机械臂的臂长优化  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 全局条件数性能指标  16-19
    2.2.1 条件数的定义  16
    2.2.2 全局条件数的定义  16-17
    2.2.3 两自由度机械臂臂长优化实例  17-19
  2.3 全局条件数的改进形式  19-22
    2.3.1 性能指标的改进  19-20
    2.3.2 三自由度机械臂臂长优化实例  20-22
  2.4 基于体积元素的性能指标  22-25
    2.4.1 体积元素的定义  22-23
    2.4.2 六自由度机械臂臂长优化实例  23-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章 模块化机械臂运动学和轨迹规划  26-33
  3.1 引言  26
  3.2 模块化机械臂运动学  26-28
  3.3 机械臂轨迹规划  28-32
    3.3.1 直线轨迹规划  28-31
    3.3.2 关节空间轨迹规划  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第4章 关节单元库和优化模型的构建  33-43
  4.1 引言  33
  4.2 关节单元库  33-35
    4.2.1 关节单元结构设计  33-34
    4.2.2 关节单元库的构建  34-35
  4.3 构件动力学分析  35-39
    4.3.1 构件质心和惯性矩阵的计算  35-37
    4.3.2 构件速度分析  37-38
    4.3.3 构件的力矩分析  38-39
  4.4 模块化机械臂动力学递推算法  39-40
  4.5 动力学优化模型  40-42
    4.5.1 动力学性能指标  40-42
    4.5.2 优化目标函数  42
  4.6 本章小结  42-43
第5章 机械臂模块组合的优化与仿真分析  43-55
  5.1 引言  43
  5.2 模块化机械臂优化算法  43-47
    5.2.1 编码与解码  43-44
    5.2.2 遗传算法基本操作  44-45
    5.2.3 适应度函数  45-46
    5.2.4 算法流程  46-47
  5.3 机械臂优化仿真  47-54
    5.3.1 6-DOF机械臂模块组合仿真  47-51
    5.3.2 4-DOF机械臂模块组合仿真  51-54
  5.4 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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