本文關(guān)鍵詞：救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：全球性地震災(zāi)害發(fā)生頻繁,救援任務(wù)具有時(shí)限緊、對(duì)功能性和智能化要求高等特點(diǎn);目前靠人工救援為主,救援效率低,需要研究輕量化、高靈活性、智能化的機(jī)器人。針對(duì)以上要求,本文對(duì)地震救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化、冗余自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了一系列研究。首先分析優(yōu)化了地震救援機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的行走平臺(tái)和七自由度冗余機(jī)械臂。對(duì)主要零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析,分析結(jié)果表明機(jī)械臂還有一定的優(yōu)化空間,為了提高機(jī)械臂的負(fù)載自重比,基于響應(yīng)面法進(jìn)行了相關(guān)尺寸優(yōu)化,優(yōu)化了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。其次進(jìn)行了七自由度冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究�；贒H法為機(jī)械臂連桿建立局部坐標(biāo)系,建立了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,并采用蒙特卡羅法求解了機(jī)械臂的作業(yè)空間;在梯度投影法的基礎(chǔ)上綜合考慮機(jī)械臂奇異構(gòu)型和關(guān)節(jié)極限,分析了冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,并引入位置誤差反饋的閉環(huán)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解法,提高了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解精度。然后搭建虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)�；诶窭嗜辗ń⒘藱C(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程,基于ADAMS虛擬樣機(jī)對(duì)單個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行了定點(diǎn)控制和軌跡跟蹤仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,單個(gè)關(guān)節(jié)定點(diǎn)控制反應(yīng)靈敏,軌跡跟蹤效果良好。將ADAMS虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入MATLAB,基于MATLAB/simulink建立機(jī)械臂的控制系統(tǒng),可為將來(lái)控制算法驗(yàn)證提供交互式聯(lián)合仿真平臺(tái)。最后試制了地震救援機(jī)器人物理樣機(jī),建立基于快速控制原型技術(shù)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),采用傳統(tǒng)的PID控制,對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行了軌跡跟蹤試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了冗余七自由度機(jī)械臂逆解的實(shí)時(shí)性和有效性以及動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的正確性。
[Abstract]:With the frequent occurrence of global earthquake disasters, the rescue task has the characteristics of tight time limit, high functionality and intelligence. Currently, artificial rescue is the main task, and the efficiency of rescue is low. Therefore, lightweight, highly active and intelligent robots need to be studied. In view of the above requirements, the structure design and size optimization of earthquake rescue robot, kinematics and dynamics of redundant manipulator are studied in this paper. First, the structure of the mechanical arm of the earthquake rescue robot is analyzed and optimized. According to the requirements of the field operation, the corresponding walking platform and seven degree of freedom redundant manipulator are designed. The static analysis of the main components is carried out. The analysis results show that the manipulator has some optimization space. In order to improve the load to weight ratio of the manipulator, the relevant size optimization is carried out based on the response surface method, and the structure of the manipulator is optimized. Secondly, the kinematics of the seven degree of freedom redundant manipulator is studied. DH method based on the local coordinate system for robot linkage, manipulator kinematics equation was established, and the Monte Carlo method for solving the manipulator workspace; based on the gradient projection method of singular configuration and mechanical arm joint limits into consideration, analysis of the inverse kinematics problem of redundant manipulator, and the introduction of closed-loop position error the feedback of the inverse kinematics solution, improves the precision of inverse kinematics. Then the virtual prototype model is built to carry out the dynamic simulation experiment. Based on the Lagrange method, the dynamic equation of the robot is established. Based on the ADAMS virtual prototype, a fixed point control and trajectory tracking simulation test of a single joint is carried out. The simulation results show that the single joint fixed-point control reaction is sensitive and the track tracking effect is good. The ADAMS virtual prototype model is imported into MATLAB, and the control system of the manipulator is built based on MATLAB/simulink. It can provide an interactive joint simulation platform for future control algorithm verification. Finally, the physical prototype of the earthquake rescue robot is developed, and a real-time control system based on the rapid control prototype technology is established. The trajectory tracking experiment of the physical prototype is verified by the traditional PID control. The experimental results confirm the real-time and effectiveness of the inverse solution of the redundant seven degree of freedom manipulator and the correctness of the dynamic simulation results.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1345328