移动机械臂设计及其运动学参数标定的研究

摘要

移动机械臂是指安装于移动平台上的机械臂,是近年来机械臂研究领域的热点之一,当移动平台到达指定地点后,移动机械臂就可实现对目标任务的操作。本文来源于国防科工局“十二五”计划基础研究项目“移动机器人用模块化机械臂的研究”,完成了移动机械臂的结构设计,研究了机械臂的运动学参数标定问题,标定后可以为机械臂提供准确的运动学参数。
　　首先,本文根据用户提出的设计指标,结合移动机械臂使用过程中可能遇到的组件更换问题和环境条件恶劣问题,完成了移动机械臂的整体结构设计。其中包括对机械臂构型的分析确定;基于局部模块化思想的多传感器关节设计;臂杆连接件的结构优化设计。并简要介绍了移动机械臂的电气系统和控制方式。所设计的移动机械臂整体重量约为11kg,具有5个自由度,关节采用旋转-俯仰-俯仰-俯仰-旋转的布局方式。电路驱动控制板采用与关节固连的方式以方便关节或连接件的快速更换,采用中心孔走线并在关节运动处特别加上了防水防尘用的旋转格莱圈,使机械臂具有全天候工作能力,机械臂关节内集成的多种传感器用来实现机械臂闭环控制。
　　其次,在完成机械结构设计的基础上,本文研究了移动机械臂的正逆运动学,并针对本文所设计的移动机械臂构型,选用 Hayati提出的改进 D-H参数法建立机械臂的平行相邻关节间的转换矩阵。推导出了针对本文构型的机械臂运动学参数误差模型。
　　然后,在机械臂运动学参数标定过程中,本文引入了可观性指数作为标定过程中测量位姿选取的评价标准。分析了用于机械臂运动学参数标定的改进 DETMAX算法中的交换循环部分,并将交换循环部分程序分为两个子程序-增加位姿程序 AddPose和删除位姿程序 DelPose,确定了以可观性指数O2为准则,其他可观性指数为参考的增减位姿方法,并基于增加位姿算法提出最少测量位姿数的确定方法,确定机械臂标定后末端位姿精度得到提高的同时减少需要测量的机械臂末端位姿数。
　　最后,通过 MATLAB仿真和实验两种方式验证所提出的位姿选取理论的有效性。

目录

移动机械臂设计及其 的研究

MECHANISM DESIGN OF MOBILE ANIPULATOR AND RESEARCH ON ITS KINEMATIC CALIBRATION

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 移动机械臂的研究综述

1.3 运动学参数标定理论的研究综述

1.4 课题的来源及主要研究内容

第2章移动机械臂结构设计

2.1 引言

2.2 任务综述与设计要求

2.3 机械结构设计

2.4 电气系统介绍

2.5 设计总结

2.6 本章小结

第3章运动学参数误差模型建立

3.1 引言

3.2 机械臂运动学建模

3.3 机械臂运动学误差模型建立

3.4 本章小结

第4章运动学参数标定测量点选取

4.1 引言

4.2 机械臂标定位姿的评价原则

4.3 标定测量位姿组确定

4.4 运动学参数辨识

4.5 仿真实验验证

4.6 本章小结

第5章运动学参数标定实验

5.1 引言

5.2 机械臂末端位姿测量

5.3 基于优化后的最少数量的测量位姿选取

5.4 实验结果对比分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢