串联机械臂柔性多体动力学性能研究

发布时间：2017-08-20 23:24

  本文关键词：串联机械臂柔性多体动力学性能研究

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【摘要】：串联机械臂(Serial Manipulator)结构简单,控制方便、安装和维护成本低廉等优点,目前已经成为工业应用最广泛的机械结构。本文以一类自主研发的七自由度串联机械臂(7 DOF Serial Manipulator,简称7DSM)为研究对象。从多体动力学角度,对机械臂性能进行系统研究,为机械臂性能分析提供必要的理论依据,对深入研究此类机器人具有重要指导意义。论文的研究内容主要包括以下几个方面:1、设计一种七自由度串联机械臂,其结构特点是具有3-1-3自由度分布,大臂偏置,相邻轴线垂直正交。2、针对了传统D-H法存在的建模不灵活的问题,提出一种改进的D-H法。并应用在该机械臂的建模过程中,保持了手腕关节坐标完整性,克服传统的D-H法建模的局限性。应用于7DSM机械臂系统,论证了改进的D-H法有效性。3、合关节变量逐点搜索法与Monte Carlo法,提出基于Monte Carlo法的概率插值方法,求解工作空间形状。并论证了该方法在求解偏置多自由度机构工作空间的优越性。4、基于Lagrange法建立多体动力学模型,综合考虑臂杆和关节柔性,建立串联机械臂的多体动力学模型,在指数映射的理论基础上,推导了用李群理论表示的Lagrange方程。5、为了进一步降低求解难度,采用多层多级子结构法对模型做进一步简化,采用Lancozos算法,求解子结构特征值。研究了不同空心系数和位姿对系统固有频率的影响。6、采用Matlab、Ansys、Adams多环境,对刚柔耦合模型进行联合仿真,分析了臂杆柔性和关节柔性对系统的固有频率和动力学性能产生影响。
【关键词】：柔性机械臂 改进D-H法 工作空间 多体动力学 模态综合
【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
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 串联机械臂研究背景10-12
• 1.2 串联机械臂研究现状及发展趋势12-17
• 1.2.1 机械臂运动学建模及分析理论12-13
• 1.2.2 工作空间区域搜索理论13-14
• 1.2.3 机械臂动力学建模理论14-15
• 1.2.4 柔性机械臂动力学建模理论15-16
• 1.2.5 模态分析与模态综合理论16-17
• 1.3 本文的研究意义17-18
• 1.4 本课题的研究内容18
• 1.5 本章小结18-19
• 第2章 7DSM机械臂运动学19-28
• 2.1 七自由度串联机械臂结构19-20
• 2.2 D-H法存在的问题及改进D-H法20-23
• 2.3 7DSM机械臂运动学建模23-25
• 2.4 7DSM机械臂采用D-H法和改进D-H法建模对比25-27
• 2.5 小结27-28
• 第3章 7DSM机械臂工作空间28-43
• 3.1 串联机械臂工作空间28
• 3.2 工作空间的计算方法28-33
• 3.2.1 逐点搜索法28-30
• 3.2.2 Monte Carlo法30
• 3.2.3 点云密度调整判据30-31
• 3.2.4 基于Monte Carlo法的概率插值算法31-33
• 3.3 偏置机械臂工作空间凹坑现象33-34
• 3.4 基于Monte Carlo法的改进工作空间搜索算法34-36
• 3.5 7DSM机械臂工作空间体积36-37
• 3.6 7DSM机械臂工作空间数值仿真37-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第4章 7DSM机械臂动力学模型43-69
• 4.1 基于Lagrange方程的机械臂动力学模型43-47
• 4.1.1 梁精确动力学建模43-46
• 4.1.2 关节精确动力学建模46-47
• 4.2 基于Lagrange法的递推动力学建模方法47-51
• 4.3 具有明显物理意义的李群递推动力学建模51-55
• 4.3.1 基于李群理论的刚性体递推动力学建模53
• 4.3.2 基于李群理论的柔性多体动力学建模53-55
• 4.4 李群理论表示的Lagrange方程55-62
• 4.5 7DSM机械臂动力学仿真62-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第5章 7DSM机械臂模态分析与综合69-85
• 5.1 模态综合方法概述69
• 5.2 模态综合技术原理69-71
• 5.3 7DSM机械臂子结构模态分析71-72
• 5.4 7DSM机械臂系统模态综合72-76
• 5.5 多层多级Lanczos算法76-79
• 5.6 空心系数对 7DSM机械臂模态性能的影响79-82
• 5.7 不同位姿态对系统固有频率的影响82-84
• 5.8 本章小结84-85
• 结论与展望85-86
• 参考文献86-92
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单92-93
• 致谢93

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