多自由度机械臂结构参数优化

发布时间：2017-06-30 15:02

  本文关键词：多自由度机械臂结构参数优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,机器人技术得到长足发展,对机器人研究与应用受到人们越来越多重视。机器人中多自由度机械臂因其自身的优点,逐渐成为了机器人领域中研究的热点。多自由度机械臂具有可靠性高、工作空间大、灵活性好等优点,在工程领域中得到了广泛的应用。7自由度机械臂作为多自由度机械臂一种,因其具有冗余特性,更好灵活性及避障能力等优点,得到了国内外许多学者的研究。本文针对一种7自由度冗余机械臂,对其运动学、工作空间以及结构参数优化进行了进一步的研究。首先,采用修正的D-H参数法建立7自由度机械臂运动学模型,得到机械臂运动方程,求解出机械臂的正逆运动学解,以及其雅克比矩阵。并利用MATLAB中Robotics Toolbox工具箱对该7自由度机械臂进行仿真,验证机械臂运动学求解的正确性及合理性。其次,在机械臂正运动学方程的基础上,利用蒙特卡罗法对机械臂的工作空间进行求解,得到机械臂工作空间云图。同时,利用几何法求解工作空间在坐标平面的截面图,从两种方法的对比中,相互验证了求解结果的合理性。最后,根据机械臂设计要求,基于Isight多学科优化软件平台,以机械臂大臂和小臂总体积为优化目标函数,利用其中Multi-Objective Particle Swarm优化算法对机械臂进行了优化,使机械臂体积得到明显减小,取得了良好的优化效果,机械臂结构更加合理。通过对该7自由度机械臂的研究,完善了该机械臂的理论基础,在原有结构基础上对其做出优化,改善机械臂的结构参数,对该机械臂后续研究工作打下了基础,同时也对其他类似串联机械臂的研究和应用有一定的参考价值。
【关键词】：多自由度机械臂 运动学分析 工作空间 结构参数优化 Isight
【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】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 多自由度机械臂的研究背景9-10
• 1.2 多自由度机械臂在各领域中的应用10-12
• 1.3 多自由度机械臂的研究现状和发展趋势12-15
• 1.4 课题的目的与研究意义15-16
• 1.5 本文的研究内容16-17
• 1.6 本章小结17-18
• 第2章 7 自由度机械臂运动学分析18-38
• 2.1 引言18
• 2.2 机器人运动学基础18-23
• 2.2.1 刚体位姿与齐次变换矩阵18-19
• 2.2.2 姿态描述19-20
• 2.2.3 空间坐标系齐次变换20-22
• 2.2.4 D-H法建立连杆坐标系22
• 2.2.5 连杆变换矩阵22-23
• 2.2.6 末端执行器在参考坐标系变换矩阵23
• 2.3 正运动学分析23-27
• 2.3.1 机器人运动学分析的一般步骤23
• 2.3.2 7自由度机器臂结构23-24
• 2.3.3 位置分析24-27
• 2.4 逆运动学分析27-30
• 2.5 雅克比矩阵求解30-33
• 2.5.1 雅克比矩阵定义30-31
• 2.5.2 雅克比矩阵求解方法31-33
• 2.6 基于MATLAB运动学仿真33-37
• 2.7 本章小结37-38
• 第3章 多自由度机械臂的工作空间分析38-46
• 3.1 工作空间的定义38
• 3.2 求解工作空间主要方法38-39
• 3.3 数值法求解机械臂的工作空间39-42
• 3.4 基于几何法对工作空间求解42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 基于Isight结构参数优化46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 Isight软件介绍46-49
• 4.3 多学科优化模型49
• 4.4 基于Isight大臂小臂优化49-57
• 4.4.1 问题描述49-50
• 4.4.2 优化模型的建立50-52
• 4.4.3 优化模型在Isight中实现52-55
• 4.4.4 机械臂各参数对体积的影响55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 结论与展望58-61
• 参考文献61-67
• 附录67-68
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单68-69
• 致谢69

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