模块化机械臂运动学与动力学快速建模研究

发布时间：2017-05-17 15:04

  本文关键词：模块化机械臂运动学与动力学快速建模研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：模块化机械臂可以通过构型重构来适应不同的工作环境或变化的工作任务,它的出现弥补了普通机械臂无法适应工作环境或任务目标变化的缺点。为了使模块化机械臂适应不同的工作环境和操作任务,往往需要调整模块化机械臂的构型。通过多次重构寻找最优任务构型的过程中,要求在短时间内对模块化机械臂进行多次建模,才能实现对模块化机械臂的控制和构型校验。因此,进行模块化机械臂快速建模研究,加快建模速度,缩短模块化机械臂构型设计周期,具有十分重要的理论意义和应用价值。 本文以模块化机械臂为研究对象,开展模块的概念性设计、模块化机械臂运动学快速建模方法、逆运动学解算算法、基于关节空间的机械臂路径规划、模块化机械臂动力学快速建模方法等研究,并验证相应算法的可行性。主要研究内容包括以下几个方面： 首先,分析完整模块化系统的基本构成,阐述模块化设计的优势,说明模块划分的一般原则,完成模块的概念性设计。采用数学表达的思想,对设计的模块进行数学描述,使得可以更加快速的进行模块化机械臂的建模解算。 其次,开展模块化机械臂运动学快速建模方法研究。目的在于针对模块化机械臂,提高其正运动学的建模和求解速度。采用基于旋量和指数积公式的方法,对模块化机械臂进行正运动学建模解算。旋量指数积公式法建立坐标系简单高效,相比于常用的D-H参数法,建模过程大大简化,节约大量建立坐标系与参数获得的时间。以模块化机械臂为例,对算法进行验证。 再次,开展模块化机械臂逆运动学解算和路径规划研究。利用基于旋量指数积的正运动学表达式,通过牛顿-拉夫逊迭代方法,对模块化机械臂逆运动学进行求解。全面阐述机械臂路径规划方法,在关节空间对模块化机械臂进行路径规划研究,得到相应的规划结果。进行机械臂的路径规划实例试验,验证算法的有效性。 最后,利用空间算子代数理论进行模块化机械臂的动力学建模,针对机械臂惯常模型定义其相关符号,采用模块的数学描述并利用空间转移算子完成模块化机械臂的速度、加速度向外递推以及力、力矩向内递推,得到基于空间算子代数的模块化机械臂高效逆动力学解算方法。利用卡尔曼滤波原理对模块化机械臂广义质量矩阵进行因式分解,简化其求逆计算,得到模块化机械臂的高效动力学模型。针对空间算子代数的方法进行算法复杂度的分析,通过实例解算,与牛顿-欧拉方法计算时间进行对比,验证算法的高效性与实用性。
【关键词】：模块化机械臂 运动学建模 路径规划 动力学建模
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH113;TP241
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 模块化机械臂研究现状11-12
• 1.2.1 国外模块化机械臂研究现状11-12
• 1.2.2 国内模块化机械臂研究现状12
• 1.3 模块化机械臂建模方法研究现状12-14
• 1.3.1 模块化机械臂运动学建模方法研究现状13
• 1.3.2 模块化机械臂动力学建模方法研究现状13-14
• 1.4 本文主要研究内容及其结构安排14-16
• 第二章 基本模块的概念性设计与数学描述16-23
• 2.1 引言16
• 2.2 模块化机械臂的基本构成16-17
• 2.3 模块的概念性设计17-20
• 2.4 模块的数学描述20-22
• 2.4.1 模块的数学描述方法20-21
• 2.4.2 模块的数学描述实例21-22
• 2.5 本章小节22-23
• 第三章 基于旋量理论的运动学快速建模研究23-33
• 3.1 引言23
• 3.2 旋量理论基础23-26
• 3.2.1 刚体运动的指数变换23-25
• 3.2.2 运动旋量的伴随变换25-26
• 3.3 运动学正解方程26-28
• 3.4 正运动学建模求解实例28-31
• 3.5 本章小节31-33
• 第四章 模块化机械臂的逆运动学解算与路径规划33-44
• 4.1 引言33
• 4.2 基于牛顿-拉夫逊迭代的逆运动学解算33-37
• 4.2.1 逆运动学迭代求解33-36
• 4.2.2 逆运动学计算实例36-37
• 4.3 模块化机械臂的关节空间路径规划37-42
• 4.3.1 路径规划的基本原理37-40
• 4.3.2 基于关节空间的路径规划算法40-41
• 4.3.3 路径规划实例41-42
• 4.4 本章小节42-44
• 第5章 基于空间算子代数的动力学快速建模研究44-53
• 5.1 引言44
• 5.2 基于空间算子代数方法的动力学递推计算44-51
• 5.2.1 基于空间算子代数方法的符号说明44-45
• 5.2.2 逆动力学递推计算45-48
• 5.2.3 正动力学递推计算48-50
• 5.2.4 算法复杂度分析50-51
• 5.3 动力学解算实例51
• 5.4 本章小结51-53
• 第6章 模块化机械臂搭建演示与实例解算53-62
• 6.1 引言53
• 6.2 仿真平台中模块化机械臂的搭建53-54
• 6.3 实例建模与解算54-61
• 6.3.1 正运动学建模55-57
• 6.3.2 逆运动学解算与路径规划57-60
• 6.3.3 动力学建模60-61
• 6.4 本章小结61-62
• 第7章 总结与展望62-64
• 7.1 主要研究工作总结62-63
• 7.2 研究展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 攻读学位期间发表的学术论文目录69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 方红根;杨军;;基于模块化关节轻型机械臂的研制[J];上海电气技术;2011年04期

  本文关键词：模块化机械臂运动学与动力学快速建模研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：373721