可重构模块化机器人构型设计理论与运动学研究

摘要

可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。现代工业生产的环境与任务是多变的，需要采用能够快速适应任务的制造系统。可重构模块化机器人的特点恰恰满足了现代化生产的这种需求，提高了工作效率，降低了成本。本文正是基于这一点，对可重构模块化机器人的基本模块、构型数学表达方法、构型优化方法与运动学作了相应研究。 在分析了国内外可重构模块化机器人研究现状的基础上，本文概念性地设计了四种基本模块：旋转模块、摆动模块、方块和连接模块。并采用谐波齿轮减速机构作为传动机构，设计了旋转模块和摆动模块的机械结构。 构型数学表达是构型优化的基础。本文提出了一种基于关联矩阵的构型表达方法，该矩阵能够表达出一个构型的所有信息，并且与构型一一对应。构型设计是可重构机器人设计的核心内容，本文建立了构型设计的优化模型，量化了运动学评价指标，在构型优化中采用了遗传算法，通过实例计算，验证了该构型设计方法的有效性。 运动学建模问题是可重构机器人的主要研究内容之一。本文应用旋量理论和指数积公式，得到了一种简便的正运动学建模方法，大大简化了不同构型的机器人运动学分析，并且利用MATLAB语言编写了正运动学通用计算程序；接着对逆运动学数值解法进行研究，应用局部指数积公式和微分运动学公式建立逆运动学模型，进一步用牛顿—拉普松迭代法得到逆运动学迭代公式，最后编写了逆运动学通用计算软件。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3可重构模块化机器人的研究内容

1.4本论文的主要研究内容

2可重构模块化机器人基本模块设计

2.1引言

2.2模块化设计方法概述

2.2.1模块化设计的优点

2.2.2模块的划分方法

2.2.3模块划分的一般原则

2.2.4一般可重构模块化机器人的模块划分

2.3基本模块结构设计

2.3.1本文对可重构机器人基本模块的划分

2.3.2基本模块的概念性设计

2.3.3传动机构的选择

2.3.4摆动关节模块机械结构设计

2.3.5旋转关节模块机械结构设计

2.4本章小结

3可重构模块化机器人构型的数学表达

3.1引言

3.2图的基本理论

3.2.1图论中对图的表达

3.2.2图的矩阵表示

3.2.3运动学图

3.3构型的数学表达

3.3.1基本模块的示意图与表示符号

3.3.2空间构型表达示意图与构型运动学图

3.3.3构型关联矩阵的提出

3.3.4关节模块在构型关联矩阵中的表示

3.3.5建立构型关联矩阵的步骤

3.4本章小结

4基于遗传算法的可重构模块化机器人构形优化设计

4.1引言

4.2遗传算法基本理论

4.3构形评价指标与指标的数学表达

4.3.1运动学评价指标

4.3.2动力学评价指标

4.4构形优化设计模型的建立

4.3.1设计任务与优化模型描述

4.3.2设计参数

4.3.3目标函数的提出

4.3.4约束条件

4.5基于遗传算法的构型优化算法的实现

4.5.1构型的编码策略

4.5.2初始种群产生策略(构型关联矩阵的产生策略)

4.5.3临时关节模块的提出

4.5.4构型关联矩阵的交叉操作

4.5.5构型关联矩阵的变异操作

4.5.6临时关节模块的处理

4.5.7适应度函数

4.5.8选择操作

4.6构型优化设计的程序实现

4.6.1程序结构

4.6.2构型设计实例

4.7本章小结

5基于旋量理论、指数积公式法的运动学研究

5.1引言

5.2旋量理论基础

5.2.1刚体运动的指数变换

5.2.2运动旋量的伴随变换

5.3可重构模块化机器人正运动学研究

5.3.1局部指数积公式

5.3.2指数积公式

5.3.3基于指数积公式的正运动学研究

5.3.4正运动学计算实例

5.3.5通过构型关联矩阵获得正运动学计算所需参数

5.3.6正运动学通用计算软件

5.4可重构模块化机器人逆运动学研究

5.4.1逆运动学迭代算法

5.4.2迭代算法中要用到的计算公式

5.4.3逆运动学通用计算程序

5.4.4逆运动学计算实例

5.5本章小结

6结论

致 谢

参考文献