模塊化六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)研究及其連桿尺寸優(yōu)化.pdf

1、通過若干具有不同尺寸特征和一定程度裝配關(guān)系的關(guān)節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器等模塊構(gòu)成，各個(gè)模塊間用電氣結(jié)構(gòu)相連并且能組成不同工作空間和自由度數(shù)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)被稱作模塊化可重構(gòu)型機(jī)械臂。模塊化機(jī)械臂相對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人具有工作范圍廣、互換性強(qiáng)、成本低、已修改維護(hù)、便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此其一直是機(jī)器人領(lǐng)域的熱門研究之一。
　　本論文的選題主要源于安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“機(jī)器人雙臂系統(tǒng)操作能力地圖構(gòu)建及擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究（項(xiàng)目編號(hào)KJ2016

2、A200）”。該項(xiàng)目以機(jī)器人雙臂系統(tǒng)為研究對(duì)象，繪制機(jī)械臂的操作能力地圖，再結(jié)合人體雙臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究機(jī)器人雙臂的擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。本論文以該項(xiàng)目作為支撐，進(jìn)而開展模塊化機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究，論文主要研究?jī)?nèi)容包括:機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析、機(jī)械臂的能力地圖的繪制、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定和機(jī)械臂連桿尺寸優(yōu)化等四個(gè)方面內(nèi)容，論文主要工作如下:
　　(1)構(gòu)建模塊化六自由度機(jī)械臂系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹了課題組開發(fā)的服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)框架和

3、控制系統(tǒng)分布，著重闡述了模塊化機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求和構(gòu)成特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析并設(shè)計(jì)了各模塊間的連接件結(jié)構(gòu)，最終搭建了機(jī)械臂系統(tǒng)硬件平臺(tái)。
　　(2)模塊化機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及分析。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)DH法來描述機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并推導(dǎo)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;采用變量分離法和幾何法相結(jié)合的方法來求解機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;應(yīng)用矢量積法求解機(jī)械臂的雅克比矩陣，并在MATLAB軟件環(huán)境下應(yīng)用機(jī)器人工具箱搭建模塊化機(jī)械臂虛擬仿真平

4、臺(tái)。
　　(3)機(jī)械臂工作空間的求解及繪制機(jī)械臂末端參考點(diǎn)的操作能力地圖。推導(dǎo)了機(jī)械臂末端參考點(diǎn)的工作空間數(shù)值表達(dá)式，并借助三維建模軟件SolidWorks和MATLAB軟件進(jìn)一步求解機(jī)械臂的3D工作空間，并對(duì)機(jī)械臂末端參考點(diǎn)的工作空間進(jìn)行位置和姿態(tài)離散，基于空間可達(dá)指標(biāo)繪制機(jī)械臂在其工作空間內(nèi)的操作能力地圖。
　　(4)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定。結(jié)合前文機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的誤差標(biāo)定模型，并在MATLAB軟件

5、環(huán)境下編寫誤差標(biāo)定模型的求解程序，并應(yīng)用相對(duì)位置誤差法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定，提高了機(jī)械臂的絕對(duì)定位精度。
　　(5)基于全局性能和局部性能指標(biāo)的機(jī)械臂連桿尺寸優(yōu)化分析。根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析其連桿尺寸的分布情況，基于機(jī)械臂的全局和局部靈活性能指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)機(jī)械臂的連桿尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，最終得到使得機(jī)械臂具有整體較優(yōu)性能指標(biāo)時(shí)的連桿尺寸。
　　本論文中的相關(guān)研究將有助于后續(xù)的機(jī)械臂的擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究，并且對(duì)模塊化機(jī)械臂