本文選題：模塊化機械臂 + 運動學��； 參考：《安徽理工大學》2017年碩士論文

【摘要】：通過若干具有不同尺寸特征和一定程度裝配關系的關節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器等模塊構成,各個模塊間用電氣結構相連并且能組成不同工作空間和自由度數(shù)的機械臂結構被稱作模塊化可重構型機械臂。模塊化機械臂相對于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人具有工作范圍廣、互換性強、成本低、已修改維護、便攜等優(yōu)點,因此其一直是機器人領域的熱門研究之一。本論文的選題主要源于安徽高校自然科學研究重點項目"機器人雙臂系統(tǒng)操作能力地圖構建及擬人運動規(guī)劃方法研究(項目編號KJ2016A200)"。該項目以機器人雙臂系統(tǒng)為研究對象,繪制機械臂的操作能力地圖,再結合人體雙臂的運動規(guī)律,研究機器人雙臂的擬人運動規(guī)劃方法。本論文以該項目作為支撐,進而開展模塊化機械臂運動學方面的研究,論文主要研究內容包括:機械臂的運動學建模與分析、機械臂的能力地圖的繪制、機械臂的運動學參數(shù)標定和機械臂連桿尺寸優(yōu)化等四個方面內容,論文主要工作如下:(1)構建模塊化六自由度機械臂系統(tǒng)。簡要介紹了課題組開發(fā)的服務機器人的機械結構框架和控制系統(tǒng)分布,著重闡述了模塊化機械臂的設計要求和構成特點,進一步對機械臂關節(jié)模塊的結構特點進行了分析并設計了各模塊間的連接件結構,最終搭建了機械臂系統(tǒng)硬件平臺。(2)模塊化機械臂的運動學建模及分析。應用標準DH法來描述機械臂的結構參數(shù),并推導機械臂的運動學方程;采用變量分離法和幾何法相結合的方法來求解機械臂的逆運動學方程;應用矢量積法求解機械臂的雅克比矩陣,并在MATLAB軟件環(huán)境下應用機器人工具箱搭建模塊化機械臂虛擬仿真平臺。(3)機械臂工作空間的求解及繪制機械臂末端參考點的操作能力地圖。推導了機械臂末端參考點的工作空間數(shù)值表達式,并借助三維建模軟件SolidWorks和MATLAB軟件進一步求解機械臂的3D工作空間,并對機械臂末端參考點的工作空間進行位置和姿態(tài)離散,基于空間可達指標繪制機械臂在其工作空間內的操作能力地圖。(4)機械臂的運動學參數(shù)標定。結合前文機械臂的運動學分析,建立其運動學標定的誤差標定模型,并在MATLAB軟件環(huán)境下編寫誤差標定模型的求解程序,并應用相對位置誤差法對其進行運動學參數(shù)標定,提高了機械臂的絕對定位精度。(5)基于全局性能和局部性能指標的機械臂連桿尺寸優(yōu)化分析。根據(jù)機械臂的結構特點分析其連桿尺寸的分布情況,基于機械臂的全局和局部靈活性能指標設計正交試驗對機械臂的連桿尺寸進行優(yōu)化分析,最終得到使得機械臂具有整體較優(yōu)性能指標時的連桿尺寸。本論文中的相關研究將有助于后續(xù)的機械臂的擬人運動規(guī)劃研究,并且對模塊化機械臂的應用領域有著積極地學術意義和重要的實際意義。
[Abstract]:Through a number of modules such as joints, connecting rods and end actuators with different dimensions and a certain degree of assembly relationship, Modular reconfigurable manipulators are called modular reconfigurable manipulators, which are connected by electrical structures and can form different workspaces and free degrees. Compared with traditional industrial robots, modular manipulators have the advantages of wide range of work, strong interchangeability, low cost, modified maintenance, portable and so on, so it has been one of the hot research fields in robot field. The topic of this thesis is mainly derived from the key project of natural science research in Anhui University, "study on map construction and humanoid motion planning method of robot dual-arm system operation ability" (Project No. KJ2016A200). This project takes the dual-arm system of the robot as the research object, draws the map of the manipulative ability of the robot arm, and studies the humanoid motion planning method of the robot's arms combined with the movement law of the human arms. This thesis is supported by this project, and then studies the kinematics of modular manipulator. The main contents of this paper include: kinematics modeling and analysis of the manipulator, the mapping of the robot arm's ability. The kinematics parameter calibration of the manipulator and the dimension optimization of the connecting rod of the manipulator are discussed in this paper. The main work of this paper is as follows: 1) constructing a modular six-degree-of-freedom manipulator system. This paper briefly introduces the mechanical structure framework and control system distribution of the service robot developed by the research group, and emphatically expounds the design requirements and structural characteristics of the modular manipulator. Furthermore, the structural characteristics of the joint module of the manipulator are analyzed, and the connectors between the modules are designed. Finally, the kinematics modeling and analysis of the modular manipulator is built on the hardware platform of the manipulator system. The standard DH method is used to describe the structural parameters of the manipulator, and the kinematics equation of the manipulator is derived, and the inverse kinematics equation of the manipulator is solved by the combination of variable separation method and geometric method. The Jacobian matrix of the manipulator is solved by the vector product method. In the environment of MATLAB, the robot toolbox is used to set up the virtual simulation platform of the modular manipulator. The workspace of the manipulator is solved and the map of the operation ability of the reference point at the end of the manipulator is drawn. The numerical expression of the workspace of the reference point at the end of the manipulator is derived, and the 3D workspace of the manipulator is further solved with the help of 3D modeling software SolidWorks and MATLAB, and the position and attitude of the workspace of the reference point at the end of the manipulator are discretized. Based on the spatial reachability index, the kinematics parameter calibration of the manipulator in its workspace is drawn. Combined with the kinematics analysis of the previous manipulator, the error calibration model of the kinematics calibration is established, and the solution program of the error calibration model is compiled under the environment of MATLAB, and the kinematics parameters are calibrated by the relative position error method. The absolute positioning accuracy of the manipulator is improved. (5) based on the global performance and the local performance index, the dimension optimization analysis of the mechanical arm connecting rod is proposed. According to the structural characteristics of the manipulator, the size distribution of the connecting rod is analyzed. Based on the global and local flexible performance index of the manipulator, the orthogonal test is designed to optimize the dimension of the connecting rod of the manipulator. Finally, the connecting rod size is obtained when the mechanical arm has the overall optimal performance index. The related research in this paper will be helpful to the subsequent research on humanoid motion planning of robot arm, and has positive academic significance and important practical significance to the application field of modular manipulator.
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP241

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