七自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模與軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、隨著空間國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，空間機(jī)器人在太空任務(wù)中的作用越來越重要，本文圍繞空間七自由度冗余機(jī)械臂展開，研究了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂遞推動(dòng)力學(xué)算法、機(jī)械臂在線軌跡規(guī)劃算法和基于遺傳算法的時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃三個(gè)問題。
　　對(duì)于多自由度復(fù)雜機(jī)械臂系統(tǒng)，自由度的增加導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算量增大，難以用于實(shí)時(shí)控制，以此為出發(fā)點(diǎn)，研究了高效的且可用于實(shí)時(shí)控制的柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂遞推動(dòng)力學(xué)算法。為了提高算法的通用性，采用改進(jìn)的DH參數(shù)描述機(jī)器人，為了提高編程和

2、計(jì)算效率，采用旋量描述運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，建立了機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，其中正向動(dòng)力學(xué)研究了鉸接體算法和組合體慣量法，逆向動(dòng)力學(xué)通過牛頓—?dú)W拉算法實(shí)現(xiàn)。建立了柔性關(guān)節(jié)模型，將多剛體動(dòng)力學(xué)的鉸接體算法應(yīng)用于柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂，提出了柔性關(guān)節(jié)的鉸接體動(dòng)力學(xué)算法，對(duì)算法進(jìn)行了數(shù)值仿真，與SimMec ha nics結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了算法的正確性，并且具有較好的實(shí)時(shí)性和通用性。
　　機(jī)械臂在執(zhí)行各種任務(wù)之前必須對(duì)其進(jìn)行軌跡規(guī)劃，對(duì)于連續(xù)軌跡

3、任務(wù)需要在笛卡爾空間進(jìn)行規(guī)劃，為了將笛卡爾空間的位姿轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間，建立了速度級(jí)的冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，由于采用偽逆法求解時(shí)機(jī)械臂在奇異構(gòu)型附近關(guān)節(jié)力矩過大實(shí)際無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文采用阻尼最小二乘法通過犧牲末端精度來實(shí)現(xiàn)奇異回避，求出其奇異魯棒性逆解，并利用其冗余特性在速度零空間對(duì)避奇異指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂在笛卡爾空間的直線和圓弧運(yùn)動(dòng)，通過 S imulink仿真驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃過程以及避奇異效果的有效性。
　　為了提高機(jī)械臂

4、執(zhí)行任務(wù)的效率，本文在B樣條規(guī)劃的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了時(shí)間優(yōu)化，同時(shí)，在考慮關(guān)節(jié)角速度和角加速度為約束條件基礎(chǔ)上，加入了關(guān)節(jié)力矩約束。由于遺傳算法具有全局搜索能力且計(jì)算效率較高的優(yōu)點(diǎn)，本文采用遺傳算法對(duì)軌跡進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化前后的軌跡，結(jié)果表明優(yōu)化后的軌跡在滿足約束條件的前提下可以提高機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)的效率。
　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所研究算法的可視化仿真，編寫了基于Open Inventor的動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃仿真軟件，該軟件具有較好通用性和移