袋装物料搬运机器人动力学研究

摘要

水泥、化肥、粮食、面粉、饲料、农副产品和矿产品等粉粒状物料大都是采用袋包装运输的，并且这些物料产量巨大，目前我国袋装物料的仓库搬运和装卸运输方式主要是靠肩扛和小车拉，不仅装卸工人的劳动强度大、工作效率低，而且是在粉尘的环境下工作，危害装卸工人的身心健康。由机器人代替人工搬运袋装物料就成为一种合理的选择，“袋装物料装卸汽车机器人的研究”(山东省教育厅科技计划项目，项目批准号：J05802)就是在这样的背景下提出来的，本文以省教育厅科技计划项目为依托，完成了上述目标的基础性部分，即对课题组研究的一台5自由度袋装物料搬运机器人进行了运动学和动力学计算的研究，并做了相应的仿真分析。 所完成的主要工作包括，建立了该机器人的串联5杆运动坐标系，及其等效简化结构的多刚体动力学模型，对上述模型进行了运动学和动力学分析，计算出了该机器人系统的运动学方程及雅可比矩阵，并推导出其简化结构多刚体系统的第二类拉格朗日动力学方程组。并且基于Matlab对袋装物料搬运机器人动力学微分方程编程求解，开发出一个形象实用的用户系统，便于求解复杂的动力学微分方程的解。 在此基础上，还运用ADAMS虚拟样机技术对该机器人系统作了考虑重力影响的动力学仿真：即先借助Solidworks的参数化建模功能建立了该5自由度袋装物料搬运机器人的虚拟三维实体模型，并通过ADAMS可以识别的Parasolid格式将该虚拟机器人导入ADAMS平台，再参照机器人实际的几何参数、物理特性以及约束条件，建立了该虚拟5自由度机器人的动力学仿真模型，并在有重力作用下，进行空间轨迹跟踪的仿真，获取了一系列的重要结果，为优化机器人结构和提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源和研究意义

1.1.1课题来源

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1机器人运动学研究概述

1.2.2机器人动力学研究概述

1.2.3计算机仿真在动力学研究上的应用

1.3本文主要研究内容和方法

第二章5自由度袋装物料搬运机器人运动学

2.1运动学分析基础

2.1.1刚体位姿的表示

2.1.2齐次坐标变换

2.1.3齐次变换矩阵的乘法运算

2.2 5自由度袋装物料搬运机器人运动学分析

2.2.1袋装物料搬运机器人连杆坐标系

2.2.2杆件坐标之间的变换矩阵

2.2.3袋装物料搬运机器人连杆间的坐标变换

2.2.4袋装物料搬运机器人正运动学

2.2.5袋装物料搬运机器人逆运动学

2.2.6袋装物料搬运机器人雅可比矩阵

2.3小结

第三章5自由度袋装物料搬运机器人动力学

3.1动力学分析基础

3.1.1高斯最小拘束原理法

3.1.2牛顿-欧拉方程

3.1.3拉格朗日方程法

3.1.4凯恩方程法

3.1.5动力学分析方法比较

3.2第二类拉格朗日方程

3.3机器人连杆系统的拉格朗日动力学方程理论基础

3.3.1广义坐标的选取和广义力的计算

3.3.2机器人动能和势能的计算

3.3.3机器人拉格朗日动力学方程

3.4用第二类拉格朗日方程建立5自由度袋装物料搬运机器人动力学模型

3.4.1惯性矩阵Hij项计算

3.4.2重力项系数的计算

3.4.3向心力系数和哥氏力系数的计算

3.4.4 5自由度机器人动力学方程

3.5动力学微分方程的求解

3.5.1 MATLAB功能概述

3.5.2编写计算函数

3.5.3开发用户系统

3.6小结

第四章袋装物料搬运机器人动力学仿真

4.1机器人实体模型的建立

4.1.1 SolidWork软件简介

4.1.2基于SolidWorks的袋装物料搬运机器人结构设计与建模

4.2袋装物料搬运机器人仿真分析

4.2.1 ADMAS功能概述

4.2.2机器人装配模型的检查

4.2.3简化机器人模型

4.2.4建立袋装物料搬运机器人ADMAS模型

4.2.5 ADMAS／View环境下的动力学仿真分析

4.3小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致 谢

附录