焊接机械手的运动学分析和仿真

摘要

现阶段的焊接机器人都是具有固定底座的机械手(臂),只能在固定位置完成一定范围内的操作,适应性较低,无法进行狭小空间或密闭容器内以及危险作业环境中的焊接。为此设计了一种小型焊接机械手,代替焊工实现在狭小空间或者密闭容器内以及危险作业环境中的焊接,文中以自主设计的焊接机械手为研究对象,对其运动学进行了基础研究和仿真分析。主要研究工作如下:
　　 1.焊接机械手模型设计,首先按照设计技术指标对所要设计的焊接机械手进行关节、自由度规划；然后确定驱动机构；其次,对焊接机械手各个关节进行设计；最后应用UG软件绘制出焊接机械手的三维造型图。
　　 2.详细论述了机械手运动学数学基础,为研究机械手运动学提供了数学工具。
　　 3.首先应用D-H方法对焊接机械手进行正运动学建模,确定了连杆坐标系和连杆参数,建立了焊接机械手正运动学方程；然后运用MATLAB中机器人工具箱对焊接机械手进行了正运动学实例仿真,通过仿真验证了正运动学模型以及算法的正确性和合理性。
　　 4.讨论了机械手的逆解相关问题,首先用反变换法求解出焊接机械手的逆解,求解复杂且存在多解,其次应用智能方法-BP神经网络法求解了焊接机械手的运动学逆解,求解简单、快速,准确。最后对焊接机械手进行了逆运动学仿真,通过仿真,从而验证出运动学模型的正确性,以及逆解的不唯一性,为下一步焊接机械手的动力学、控制、轨迹规划等奠定了基础。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 机械手运动学逆问题的发展状况

1.2.1 逆运动学求解的传统方法

1.2.2 机械手逆运动学研究的国内外现状

1.3 运动学仿真的发展状况

1.3.1 国内仿真研究的现状

1.3.2 国外仿真研究的现状

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 焊接机械手模型的设计

2.1 引言

2.2 焊接机械手的设计任务及主要技术指标

2.3 焊接机械手设计的整体方案

2.4 焊接机械手的整体设计

2.4.1 焊接机械手自由度、关节规划

2.4.2 驱动机构的确定

2.4.3 焊接机械手关节传动机构设计

2.4.4 基于UG的焊接机械手三维造型

2.5 本章小结

第3章 运动学数学基础

3.1 引言

3.2 机械手坐标系

3.2.1 参考坐标系

3.2.2 关节坐标系

3.3 坐标变换

3.3.1 平移坐标变换

3.3.2 旋转坐标变换

3.3.3 复合变换

3.4 齐次变换及其运算

3.4.1 齐次坐标

3.4.2 齐次变换

3.4.3 变换矩阵的运算

3.5 表示方位的其他方法--欧拉角和RPY角

3.6 本章小结

第4章 焊接机械手的正运动学分析和仿真

4.1 引言

4.2 焊接机械手正运动学分析

4.2.1 机械手连杆参数和关节变量

4.2.2 D-H坐标系

4.2.3 连杆坐标系之间的变换

4.3 焊接机械手正运动学求解

4.3.1 焊接机械手D-H坐标系的建立

4.3.2 焊接机械手连杆的D-H参数表

4.3.3 求两连杆间的齐次坐标变换矩阵

4.3.4 求焊接机械手运动学方程

4.4 焊接机械手正运动仿真

4.4.1 MATLAB软件及其机器人工具箱简介

4.4.2 焊接机械手模型的建立

4.4.3 焊接机械手正运动学仿真

4.5 本章小结

第5章 焊接机械手的逆运动学分析和仿真

5.1 引言

5.2 机械手运动学逆解涉及的几个问题

5.3 焊接机械手逆运动学的求解

5.3.1 反变换法求解逆运动学

5.3.2 逆解求解的小结

5.4 BP神经网络及其改进算法求解焊接机械手逆运动学

5.4.1 神经网络的基本知识

5.4.2 BP网络及其改进算法

5.4.3 基于改进BP神经网络的焊接机械手运动学逆解

5.5 焊接机械手逆运动学仿真

5.5.1 焊接机械手点到点逆运动学仿真

5.5.2 焊机机械手逆运动学仿真模型的验证

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 本文创新点

6.3 相关工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文