冗余度双臂工业机器人虚拟样机的研究

发布时间：2017-09-08 07:03

  本文关键词：冗余度双臂工业机器人虚拟样机的研究

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【摘要】：随着社会与科技的发展,机器人已应用于各个领域,对机器人提出了更高的要求。越来越复杂的操作环境和任务要求,使得避障规划和双臂协调操作规划成为了亟需解决的关键问题,针对冗余度双臂工业机器人虚拟样机的研究具有重要意义。本课题针对以上两个关键问题,在理论建模的基础上,提出了冗余度双臂工业机器人的虚力避障规划算法和面向操作对象的协调操作规划算法,并通过虚拟样机仿真分析对算法进行了验证。本文的主要研究内容如下:1.利用D-H参数法对七自由度机械臂进行了运动学建模,分析了冗余度机械臂的自运动特性和基于梯度投影法的运动学逆解;利用牛顿欧拉方法对七自由度机械臂进行了动力学建模,为后续的研究了提供理论基础。2.针对机器人的避障规划问题,利用冗余度机械臂的自运动特性和运动学逆解,结合基于最小距离的碰撞检测,设计了虚拟推力避障规划算法,解决了障碍物影响机械臂中间杆件运动的问题;在此基础上引入两个任务转换系数,实现了末端轨迹和避障运动的主次任务转换,解决了障碍物影响末端执行器运动的特殊问题。3.针对冗余度双臂工业机器人系统在紧协调约束条件下的协调操作问题,根据面向对象的协调操作思想,定义了双臂协调操作空间,设计了双臂机器人系统面向操作对象的协调操作算法,并结合七自由度机械臂的避障规划设计了冗余度双臂机器人的协调避障算法。4.基于模块化关节设计了冗余度双臂机器人的三维模型,搭建了系统的虚拟样机平台,并利用虚拟样机对理论模型和算法进行了仿真分析,并与数值仿真结果进行了对比,验证了理论建模的正确性以及算法的有效性和可靠性。
【关键词】：双臂机器人 冗余度机械臂 避障规划 协调控制 虚拟样机
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题来源及研究背景和意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 双臂机器人产品11-13
• 1.2.2 主要研究内容13-14
• 1.2.3 双臂机器人的协调控制14-15
• 1.2.4 虚拟样机技术15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第二章 七自由度机械臂运动学和动力学建模18-32
• 2.1 引言18-19
• 2.2 刚体位姿的描述19-23
• 2.2.1 旋转矩阵19
• 2.2.2 欧拉角19-21
• 2.2.3 等效转轴等效转角21-22
• 2.2.4 四元数与欧拉参数22-23
• 2.2.5 欧拉角速度与绝对角速度23
• 2.3 七自由度机械臂运动学建模23-29
• 2.3.1 七自由度机械臂24-25
• 2.3.2 正向运动学25-28
• 2.3.3 速度雅可比矩阵28
• 2.3.4 运动学逆解28-29
• 2.4 七自由度机械臂动力学建模29-31
• 2.4.1 牛顿欧拉方法29-30
• 2.4.2 动力学递推30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 七自由度机械臂避障规划32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 冗余度机械臂运动学逆解32-33
• 3.3 冗余度机械臂避障规划33-41
• 3.3.1 虚拟推力避障33-35
• 3.3.2 七自由度机械臂避障规划算法35-37
• 3.3.3 末端位姿插值37
• 3.3.4 数值仿真分析37-41
• 3.4 主次任务转换避障规划41-45
• 3.4.1 主次任务转换41-42
• 3.4.2 数值仿真分析42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 冗余度双臂机器人协调控制规划46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 协调操作空间46-48
• 4.2.1 广义绝对位姿向量46-48
• 4.2.2 广义相对位姿向量48
• 4.3 广义速度雅可比矩阵48-53
• 4.3.1 广义绝对速度雅可比49-50
• 4.3.2 广义相对速度雅可比50-52
• 4.3.3 广义速度雅可比52-53
• 4.4 双臂协调操作与避障规划算法53-54
• 4.4.1 协调操作规划算法53
• 4.4.2 协调避障规划算法53-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 冗余度双臂机器人的虚拟样机仿真分析56-74
• 5.1 引言56
• 5.2 双臂机器人虚拟样机的建立56-61
• 5.2.1 Adams软件介绍56-57
• 5.2.2 基于模块化关节的双臂机器人结构设计57-60
• 5.2.3 虚拟样机的搭建60-61
• 5.3 七自由度机械臂仿真分析61-63
• 5.3.1 运动学仿真分析61-62
• 5.3.2 动力学仿真分析62-63
• 5.4 双臂协调控制算法仿真分析63-68
• 5.4.1 数值仿真分析63-65
• 5.4.2 虚拟样机仿真分析65-68
• 5.5 双臂协调避障算法仿真分析68-73
• 5.5.1 数值仿真分析68-70
• 5.5.2 虚拟样机仿真分析70-73
• 5.6 本章小结73-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文81

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