码垛机器人的运动学分析与残余振动抑制研究

发布时间：2017-09-21 14:42

  本文关键词：码垛机器人的运动学分析与残余振动抑制研究

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【摘要】：机器人作为一种机电一体式的自动化生产设备,能够改善劳动条件、提高生产效率、提升产品质量,因而被广泛地应用于生产和生活等各种领域。随着工业机器人技术的不断发展,码垛机器人作为一种搬运工具,是物流、搬运及码垛等行业中的关键设备,如何提高其控制精度和稳定性,已成为码垛机器人应用领域研究的热点问题,故针对码垛机器人的设计改进和性能研究便具有重要意义。四轴驱动串联型码垛机器人具有机身小、质量轻、动作灵活、工作空间大等优点,是工业应用中较为常见的类型。但此类型机器人是典型的柔性机构,在运动过程中会发生弹性变形,运动结束后柔性关节处存在残余振动,这会严重影响码垛机器人的定位精度和控制稳定性。本文以四轴驱动式串联型码垛机器人为对象,对其进行了运动学分析和残余振动抑制等研究。首先,根据国内外码垛机器人的结构特征,确定码垛机器人的整体设计方案。使用SolidWorks软件设计出码垛机器人的机构模型,并以该模型为基础加工出码垛机器人的本体样机;以机构本体为骨架,安装控制系统,搭建码垛机器人的实验平台。其次,对码垛机器人进行运动学分析。采用D-H方法建立码垛机器人的运动学模型,并通过连杆变换矩阵及运动学方程完成运动学正逆解计算;基于MATLAB软件对码垛机器人进行工作空间分析和运动学仿真;基于VC++6.0编程和OpenGL技术编写码垛机器人的三维可视化仿真软件,通过人机界面交互,实现码垛机器人的运动控制与实时仿真,即提供示教功能。最后,对码垛机器人进行残余振动抑制研究。利用拉格朗日函数推导出码垛机器人的动力学方程,并建立各驱动关节处的动力学模型;采用PID控制器实现对给定末端轨迹的跟踪控制;基于MATLAB软件对码垛机器人进行动力学计算;针对码垛机器人运动过程中各柔性关节处存在残余振动的问题,引进脉冲整形输入和最优整形输入两种抑制方法,并通过仿真与实验对脉冲整形输入的抑制效果进行验证。仿真与实验结果均表明脉冲整形输入能够很好的抑制残余振动,进而提高系统的控制精度和稳定性。
【关键词】：码垛机器人 运动学分析 OpenGL显示 动力学分析 残余振动抑制
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 码垛机器人研究现状11-14
• 1.2.1 国外码垛机器人研究现状12-13
• 1.2.2 国内码垛机器人研究现状13-14
• 1.3 码垛机器人研究方法综述14-18
• 1.3.1 运动学分析方法14-15
• 1.3.2 动力学建模方法15-16
• 1.3.3 残余振动抑制方法16-18
• 1.4 论文主要工作和章节安排18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 2 码垛机器人的整体方案设计20-27
• 2.1 机构本体的方案设计20-22
• 2.1.1 码垛机器人的技术参数20-21
• 2.1.2 码垛机器人的机构本体21-22
• 2.2 控制系统的方案设计22-25
• 2.2.1 控制系统的硬件组成23-24
• 2.2.2 控制系统的软件组成24-25
• 2.3 码垛机器人实验平台的搭建25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 码垛机器人的运动学分析27-47
• 3.1 机器人运动学分析基础27-29
• 3.1.1 空间刚体位姿的描述27-28
• 3.1.2 空间连杆变换的描述28-29
• 3.2 码垛机器人的运动学求解29-38
• 3.2.1 码垛机器人的运动学正解31-32
• 3.2.2 码垛机器人的运动学逆解32-35
• 3.2.3 末端执行器的工作空间分析35-36
• 3.2.4 雅克比矩阵的计算36-38
• 3.3 运动模型的搭建与MATLAB仿真38-41
• 3.3.1 GUI仿真界面与Simulink模型39-40
• 3.3.2 基于MATLAB的码垛机器人的运动仿真40-41
• 3.4 基于Open GL的三维可视化运动仿真41-46
• 3.4.1 Open GL技术简介41-42
• 3.4.2 Deep Exploration软件简介42-43
• 3.4.3 码垛机器人的Open GL建模43-45
• 3.4.4 码垛机器人三维可视化仿真软件的设计45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 4 码垛机器人的残余振动抑制研究47-65
• 4.1 基于拉格朗日方法的动力学分析47-54
• 4.1.1 码垛机器人的动力学方程47-50
• 4.1.2 柔性驱动关节的动力学模型50-53
• 4.1.3 基于MATLAB的码垛机器人的动力学计算53-54
• 4.2 码垛机器人残余振动的抑制方法54-59
• 4.2.1 脉冲整形输入的原理54-57
• 4.2.2 最优整形输入的原理57-59
• 4.3 基于脉冲整形输入的运动仿真与实验59-64
• 4.3.1 动力学模型的MATLAB仿真结果61-63
• 4.3.2 残余振动抑制的实验结果63-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 总结与展望65-67
• 5.1 总结65
• 5.2 展望65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间的研究成果71-73
• 致谢73

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本文编号：895156