本文選題：輪式移動(dòng)機(jī)械臂 + 動(dòng)力學(xué)�。� 參考：《上海大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：近年來,輪式移動(dòng)機(jī)械臂的研究得到了國際上的廣泛關(guān)注。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在未來的幾年中,工廠及家庭中超過三分之二的工作任務(wù)可由自主移動(dòng)工業(yè)機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)機(jī)械臂不僅能夠有效克服固定式機(jī)械臂工作范圍有限、靈活度不高等缺點(diǎn),還具備固定式機(jī)械臂與移動(dòng)機(jī)器人二者的優(yōu)點(diǎn)。然而,機(jī)械臂與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合制成移動(dòng)機(jī)械臂卻產(chǎn)生了這兩個(gè)領(lǐng)域均沒有充分研究的新課題,即：機(jī)械臂作用于移動(dòng)平臺(tái)的力/力矩給系統(tǒng)帶來的傾覆與滑移問題,其直接關(guān)系到系統(tǒng)及環(huán)境乃至人員的安全、系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的工作效率等。本文對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)械臂作用于移動(dòng)平臺(tái)的力/力矩、不同動(dòng)力學(xué)因素下輪式移動(dòng)機(jī)械臂的傾覆規(guī)律、輪式移動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、輪式移動(dòng)機(jī)械臂滑移等關(guān)鍵問題展開深入研究。具體的研究內(nèi)容如下：第一,在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的基礎(chǔ)上使用牛頓—?dú)W拉方法對機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械臂關(guān)節(jié)1上約束力/力矩。詳細(xì)分析靜態(tài)、靜態(tài)且受力、動(dòng)態(tài)三種情況下機(jī)械臂作用于移動(dòng)平臺(tái)的力/力矩的組成,并使用ADAMS軟件驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算的正確性。第二,對傾覆穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行研究。從系統(tǒng)傾覆根源出發(fā),提出一種新的傾覆穩(wěn)定性判據(jù)——傾覆力矩(Tip-Over Moment,TOM)。對該判據(jù)與ZMP判據(jù)對比研究以驗(yàn)證其正確性,結(jié)果同時(shí)顯示出TOM判據(jù)的優(yōu)越性。分別研究靜態(tài)、靜態(tài)且受力、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度四種情況下輪式移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的傾覆規(guī)律。靜態(tài)情況表明傾覆與系統(tǒng)重心的水平位置有關(guān)；靜態(tài)且受力情況表明傾覆與桿件構(gòu)型(關(guān)節(jié)角組合)有關(guān)；關(guān)節(jié)角速度與關(guān)節(jié)角加速度情況表明傾覆同時(shí)受到機(jī)械臂向心力、陀螺力矩及慣性力的影響。在此基礎(chǔ)上,以無傾覆為約束條件對輪式移動(dòng)機(jī)械臂打鉚路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃,規(guī)劃結(jié)果既能夠保證系統(tǒng)不傾覆又能夠?qū)崿F(xiàn)整體運(yùn)行時(shí)間最短。第三,為提升系統(tǒng)的抗傾覆能力,對輪式移動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該優(yōu)化可歸結(jié)為極大極小值問題。即：在整個(gè)工作空間上最大化穩(wěn)定區(qū)域比(SRR)的同時(shí)最小化傾覆力矩(TOM)。第一步,分別研究移動(dòng)平臺(tái)的支撐輪數(shù)量、移動(dòng)平臺(tái)尺寸與質(zhì)量對系統(tǒng)傾覆穩(wěn)定性的影響。第二步,分別以最大傾覆裕度和最大|dM|值為目標(biāo)使用遺傳算法對機(jī)械臂和附件的安裝位置進(jìn)行組合優(yōu)化,并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)輪式移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)。第四,就機(jī)械臂作用于移動(dòng)平臺(tái)的力/力矩引起的滑移問題進(jìn)行研究。對系統(tǒng)滑移進(jìn)行建模、分析與計(jì)算,分別研究輪式移動(dòng)機(jī)械臂在鉚接時(shí)刻、移動(dòng)時(shí)刻的滑移問題；以無滑移為約束條件對輪式移動(dòng)機(jī)械臂打鉚路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃,規(guī)劃結(jié)果既能夠保證系統(tǒng)不滑移又能夠?qū)崿F(xiàn)整體運(yùn)行時(shí)間最短。本文對機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)及輪式移動(dòng)機(jī)械臂的傾覆與滑移問題展開了深入而細(xì)致的研究。通過與動(dòng)力學(xué)仿真軟件及其他學(xué)者的研究成果進(jìn)行對比驗(yàn)證了本文所提出方法的正確性及優(yōu)越性。研究成果可用于輪式移動(dòng)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)、控制及優(yōu)化。本研究有助于提升輪式移動(dòng)機(jī)械臂的安全性及工作性能,是輪式移動(dòng)機(jī)械臂研究過程中不可或缺的一環(huán)。
[Abstract]:In recent years, the research on wheeled mobile arm has attracted wide attention. The results show that in the next few years, more than 2/3 of the work tasks in factories and families can be realized by independent mobile industrial manipulator. The mobile arm can not only effectively overcome the limited working range of the fixed arm, but not the flexibility. It also has the advantages of a fixed manipulator and a mobile robot. However, the combination of the manipulator and the mobile platform to make a mobile manipulator produces a new topic which has not been fully studied in the two fields, namely, the overturning and sliding problem of the force / torque of the manipulator on the moving platform, which is directly related to the force / torque of the mobile platform. To the safety of the system and environment and even the personnel, the adaptability of the system to the environment, the stability of the system and the efficiency of the system. This paper is the kinematics, dynamics, the force / torque of the manipulator on the moving platform, the overturning rule of the wheel moving manipulator under different dynamic factors, and the design parameters of the wheel moving manipulator. The key issues such as optimization, wheel moving manipulator slip and other key problems are studied. The specific research contents are as follows: firstly, based on the kinematic modeling, the Newton Euler method is used to model the dynamics of the manipulator, focusing on the 1 binding / torque of the manipulator joint. The static, static, force and dynamic three situations are detailed and analyzed. The composition of the force / torque of the moving platform under the action of the manipulator, and using the ADAMS software to verify the correctness of the dynamic modeling and calculation. Second, the stability criterion of the overturning is studied. From the root of the overturning of the system, a new criterion for overturning stability (Tip-Over Moment, TOM) is proposed. The criterion and the ZMP criterion To verify its correctness, the results show the superiority of the TOM criterion. The overturning rules of the wheeled mobile manipulator system are studied in four cases of static, static, force, joint angular velocity and joint angular acceleration. The static state shows that the overturning is related to the horizontal position of the center of gravity; the static and force condition indicates the inclination. It is related to the structure of the rod (joint angle combination), and the angle velocity of joint angle and the angle acceleration of the joint show that the overturning is influenced by the centripetal force, the gyroscopic moment and the inertia force of the manipulator. On this basis, the trajectory planning of the riveting path of the wheeled mobile manipulator is taken as a constraint without overturning, and the planning results can not only ensure that the system is not. The overturning can also achieve the shortest overall operation time. Third, to improve the anti overturning capability of the system, the design parameters of the wheeled mobile manipulator are optimized. This optimization can be attributed to the minimax value problem. The first step is to study the minimum overturning moment (TOM) at the same time (SRR) in the whole workspace. The number of supporting wheels of the mobile platform, the influence of the size and quality of the mobile platform on the overturning stability of the system. Second step, using the maximum overturning margin and the maximum |dM| value as the target, using genetic algorithm to optimize the installation position of the manipulator and accessories, and design the wheel moving manipulator system according to the optimization results. Fourth. The paper studies the sliding problem caused by the force / torque of the moving platform. The system slip is modeled, analyzed and calculated, and the sliding problem of the wheel moving arm at the riveting time and the moving time is studied respectively. The trajectory planning of the wheel moving arm riveting path is carried out with no slip as the constraint condition. The planning results can not only be used for the trajectory planning. In this paper, the dynamics of the manipulator and the overturning and sliding of the wheeled mobile arm are studied in detail in this paper. The correctness and superiority of the proposed method is verified by comparison with the research results of the dynamics simulation software and other scholars. The research results can be used in the design, control and optimization of the wheeled mobile manipulator. This study is helpful to improve the safety and performance of the wheeled mobile manipulator. It is an indispensable link in the research process of the wheeled mobile manipulator.
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP241

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本文編號(hào)：2008042