模块化机器人结构设计及灵活度分析研究

摘要

目前机器人发展的主要方向是实现结构和控制的模块化，本研究将机器人分解为通信系统、传感器、底盘驱动形式、控制系统、机械结构（如转动模块、摆动模块）等模块，以及一些用于组装的小型零部件所构成，使用时只需要将这些模块以积木的形式组装到一起即完成了机器人的组装，就构成完整的机器人系统。然而，当前市场上的模块化机器人都存在一定的不足，或组装形式单一，或专用零件过多。工作空间和灵活度是衡量机器人性能的重要指标，也是编程控制、结构和控制优化的基础，但目前多用于工业机器人的分析研究，在模块化机器人结构设计和控制规划时缺少这些指标作为参考依据。因此，本研究中通过对模块组装的机器人进行灵活度计算，获得其灵活工作空间的范围，以选择最佳的工作位置，同时，基于遗传算法对机械臂各部分关节的尺寸参数进行优化。基于Labview软件平台实现图形编程，降低控制的难度。
　　本文首先将机器人划分出多种不同结构模块并完成结构设计，介绍该套件可组装机器人的分类，重点对其中的机械臂模块进行运动学分析，运用D-H法建立机械臂模块正运动学模型，采用遍历迭代法完成机械臂模块逆运动学计算。同时，介绍履带移动平台模块的异步驱动算法。
　　其次，通过Matlab软件simulink环境下搭建机构模型，通过模拟整个机械臂的运动获得具有完整边界的末端点所有轨迹集合，运用解析法求解工作空间，通过CAD中的拟合曲线命令避开复杂的公式计算，求解出工作空间在xoz平面的投影面积。同时，为了减少灵活度计算过程的运算量，基于蒙特卡洛法用Matlab编程完成工作空间的仿真，以及完成基于服务球理论的灵活度计算。
　　然后，设计实现了机器人的控制系统，介绍控制系统的组成框架以及系统软硬件的组成。介绍机器人各运动关节的控制方式，所使用的无线模块、传感器种类和参数。通过Labview设计机器人相对应的控制编程模块及实现图形化编程。
　　最后，进行机械臂模块轨迹规划仿真试验，验证前述章节中关于灵活度计算理论的正确性，获得相同轨迹任务下的不同关节参数变化曲线。基于遗传算法完成对机械臂模块的结构优化。进行履带移动平台模块越障分析。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2课题目的及意义

1．2．1课题研究目的

1．2．2课题研究意义

1．3国内外研究现状

1．3．1模块化机器人研究现状

1．3．2机器人灵活度分析研究现状

1．4本文主要研究内容

第2章模块化机器人方案设计与模型分析

2．1引言

2．2机器人模块设计

2．2．1机器人总体组成

2．2．2电机模块和舵机模块结构设计

2．2．3履带移动平台模块设计

2．2．4部分非标准组件结构设计

2．3组装的不同形式机器人结构设计

2．3．1可组装不同机器人的分类

2．3．2机械臂模块结构设计

2．4机械臂模块的运动学分析

2．4．1机械臂模块D-H法正运动学分析

2．4．2机械臂模块的逆运动学解

2．6履带移动平台模块路径规划

2．6．1移动平台模块运动学模型

2．6．2分解运动速度控制算法

2．7本章小结

第3章机械臂模块工作空间分析与灵活度计算

3．1引言

3．2工作空间的分析

3．2．1Matlab建模仿真法

3．2．2工作空间面积的求解

3．3机械臂模块灵活度的分析

3．3．1灵活度的定义

3．3．2蒙特卡洛定义机械臂模块工作空间

3．3．3灵活度分析计算

3．4本章小结

第4章模块化机器人控制系统软硬件搭建

4．1引言

4．2模块化机器人控制系统硬件的搭建

4．2．1控制系统的结构

4．2．2控制系统的主控芯片

4．2．3电源部分的电路结构

4．2．4直流电机驱动模块

4．3电机驱动、舵机驱动及传感器模块控制系统设计

4．3．1电机驱动、舵机驱动控制系统

4．3．2距离传感模块控制系统设计

4．3．3六轴加速度陀螺仪模块

4．3．4无线通信模块

4．4控制系统与图形化编程的实现

4．4．1主控系统软件的实现

4．4．2图形化编程的实现

4．5本章小结

第5章模块化机器人仿真试验与结构优化

5．1引言

5．2基于Matlab的机械臂模块仿真试验

5．3结构尺寸优化

5．4履带移动平台模块越障性能分析

5．5本章小结

总结与展望

总结与主要工作内容

后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢