多自由度串联机器人运动学分析与仿真

发布时间：2017-04-15 15:26

  本文关键词：多自由度串联机器人运动学分析与仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文研究的主要内容为7自由度串联机器人运动学的分析与仿真。在查看大量文献的基础上学习并运用D-H参数法和旋量法分别建立机器人运动学正解的方法。利用D-H参数法计算运动学正解时,首先根据连杆之间的相互关系和关节类型建立D-H坐标系,在此基础上确定各个坐标系的参数并建立坐标转换矩阵,最后把各个坐标转换矩阵相叠加得到该机器人的运动学正解。利用旋量法计算运动学正解时,首先建立基坐标系并确定各个关节轴线的单位向量,再根据连杆的位置找出各个连杆上的点,带入到运动旋量的指数矩阵中,根据机器人的初始位姿建立其末端的初始位姿矩阵,最后把得到的运动旋量的指数矩阵与初始位姿矩阵依次连乘得到该机器人的运动学正解。在得到的两组正解的基础上进行运动学的仿真,以对比D-H参数法和旋量法的异同和各自的优缺点:两者需要建立坐标系的个数不同;一般情况下两种方法建立的基坐标系位置不同;D-H参数法建立初始位置关节转角可能不为零,而旋量法必为零;D-H参数法不能描述相对应的坐标系沿y轴方向的转动和移动;旋量法在后续计算过程中造成的累计误差较小。通过分析得出旋量法在运动学正解计算时具有一定的优势。运动学的逆解分析与仿真部分以旋量法建立的运动学正解为基础,采用位姿分离法与几何法以及最短行程原则相结合的方法,分析计算其运动学逆解。这种算法能够得到第2,3,4,5,6,7个关节的解析解以及第1个关节的数值解,集计算和优化为一体,计算过程也比较简单,效率及精度高。逆解的仿真采用单点仿真和连续点仿真两种方法,其中单点的仿真能够估算该方法的计算精度,连续点仿真证实该方法的连续性。基于运动学的结构参数优化分析部分,首先运用蒙特卡罗法计算得到工作空间点云图,根据工作空间点云图进行分层计算,采用子空间体积的叠加方法得到该机器人工作空间的总体积,然后以工作空间体积为分析基础,在单个连杆长度以及组合连杆长度改变的情况下分析工作空间体积的变化规律,为后续综合各方面因素确定优化方案提供参考。
【关键词】：串联机器人 D-H参数法 旋量法 运动学逆解 工作空间体积
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 引言10
• 1.2 串联机器人的发展概况10-11
• 1.3 串联机器人运动学的研究现状11-15
• 1.3.1 运动学正解的研究方法12
• 1.3.2 运动学逆解的国内外研究方法12-15
• 1.4 课题研究的目的和意义15-16
• 1.5 课题的主要研究内容16-17
• 第2章 串联机器人运动学正解17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 D-H参数法计算运动学正解17-22
• 2.2.1 坐标系的建立18
• 2.2.2 几何参数的确立18
• 2.2.3 齐次变换矩阵的建立18-19
• 2.2.4 D-H参数法求解7自由度串联机器运动学正解19-22
• 2.3 旋量法求解串联机器人运动学正解22-26
• 2.3.1 旋量法的运动学建模22-23
• 2.3.2 旋量法求解7自由度串联机器人运动学正解23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 两种方法计算运动学正解的对比分析27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 基于D-H参数法的运动学正解仿真分析27-33
• 3.2.1 末端执行器位置仿真28-31
• 3.2.2 末端执行器姿态仿真31-33
• 3.3 基于旋量法计算所得正解仿真分析33-39
• 3.3.1 末端执行器位置仿真34-37
• 3.3.2 末端执行器姿态仿真37-39
• 3.4 两种方法的比较分析39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 7 自由度串联机器人运动学逆解计算41-49
• 4.1 引言41
• 4.2 运动学逆解计算41-46
• 4.3 逆解仿真46-48
• 4.3.1 单点的数值仿真46-47
• 4.3.2 连续点的数值仿真47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第5章 基于工作空间的参数优化分析49-59
• 5.1 引言49
• 5.2 基于蒙特卡罗法的工作空间仿真49-51
• 5.3 工作空间体积的计算51-53
• 5.4 连杆长度对工作空间体积的影响分析53-58
• 5.4.1 单个连杆长度对工作空间体积的影响规律分析53-56
• 5.4.2 分组分析连杆对工作空间体积的影响规律56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单65-66
• 致谢66

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本文编号：308698