四自由度小型抓取机器人设计及运动学动力学分析

摘要

本文设计了一种四自由度小型抓取机器人，对该机器人的重要部件进行了有限元分析，并在运动学、动力学方面进行了分析和仿真，探讨了关节空间的轨迹规划。主要工作包括以下几个方面:
　　1)结合四自由度抓取机器人的功能需求，对抓取机器人进行总体运动方案和结构方案的设计，并对机器人的关键部件，小臂、大臂、安装板和支架的多种工况进行了静态分析，最后运用三维软件Solid Edge对机器人进行虚拟装配。
　　2)对所设计的抓取机器人方案进行了运动学分析，求出了其正、逆解和雅克比矩阵，并用蒙特卡洛法计算了机器人的工作空间;利用ADAMS软件对所设计的机器人进行了运动功能的仿真，验证了上述解析解的正确性及本文方案的可行性。
　　3)重点探讨了关节空间的轨迹规划，借助Matlab的机器人工具箱，建立了机器人仿真模型，并进行了运动学仿真。利用高次多项式轨迹规划，在空间中选出20个点，使机器人按照规定的路径绘制出机器人运动仿真图。
　　4)采用第二类拉格朗日法建立了抓取机器人动力学模型，推导出机器人动力学方程。结合Matlab和Adams对动力学的正、逆向问题进行了仿真，为以后的控制和轨迹规划提供了依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 机器人研究现状及发展趋势

1．3 本课题的主要研究内容和工作安排

1．3．1 课题研究的背景及意义

1．3．2 课题研究的内容及安排

2 四自由度小型抓取机器人本体结构设计

2．1 机器人的总体方案设计

2．1．1 机器人驱动方案的确定

2．1．2 机械传动方案的确定

2．1．3 机器人基本技术参数设计

2．1．4 机器人本体的总体结构

2．2 机器人本体基本结构设计

2．2．1 大臂和小臂机械结构设计

2．2．2 腕部机械结构设计

2．2．3 直线组件的设计选择

2．2．4 支架结构设计

2．2．5 伺服电机与谐波减速器的计算和选择

2．3 小型抓取机器人关键部件的有限元分析

2．3．1 小臂的载荷计算及有限元分析

2．3．2 大臂的载荷计算及有限元分析

2．3．3 安装板的载荷计算及有限元分析

2．3．4 机器人支架的有限元分析

2．4 机器人本体的三维模型及实物

2．5 本章小结

3 四自由度小型抓取机器人运动学分析及仿真

3．1 机器人运动学分析

3．1．1 齐次坐标变换

3．1．2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法

3．2 四自由度机器人运动学方程的建立

3．2．1 机器人的正运动学分析

3．2．2 机器人工作空间分析

3．2．3 机器人雅可比(Jacobian)关系求解

3．2．4 四自由度机器人的逆运动学分析

3．3 四自由度机器人运动学仿真

3．3．1 虚拟样机技术概述

3．3．2 建立机器人仿真模型

3．3．3 机器人位移及速度仿真分析

3．4 本章小结

4 四自由度小型抓取机器人轨迹规划及仿真分析

4．1 关节空间轨迹规划算法分析

4．2 关节空间的轨迹规划

4．2．1 三次多项式法

4．2．2 高次多项式轨迹规划

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 机器人仿真模型的建立

4．3．2 机器人运动学仿真分析

4．3．3 轨迹规划仿真分析

4．4 本章小结

5 四自由度小型抓取机器人动力学分析

5．1 拉格朗日动力学方程简介

5．1．1 机器人连杆系统动能和势能

5．1．2 拉格朗日动力学方程

5．2 四自由度机器人动力学方程的建立

5．2．1 机器人动力学方程惯量矩阵Dij项的计算

5．2．2 机器人向心力系数与哥氏力系数

5．2．3 机器人重力项的计算

5．2．4 四自由度机器人动力学方程

5．3 机器人动力学仿真

5．3．1 四自由度机器人的动力学正问题仿真

5．3．2 四自由度机器人的动力学逆问题仿真

5．4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献