特种六自由度机构动力学建模与轨迹规划研究

摘要

模型支撑特种六自由度机构是完成某特种试验的关键性设备，本文研究围绕该六自由度机构展开，研究了机构运动学、动力学和轨迹规划。并为了提高该试验效率，在运动学和动力学约束下，通过遗传算法实现了机构时间最优轨迹优化求解。　　首先，基于需求及功能分析，研究了一套串联六自由度机构，该机构结构性良好，满足各项技术指标要求。以该机构为基础进行本文的相关研究，通过D-H法建立了机构运动学模型，求出了机构运动学正/逆解，并通过软件编程验证了结果的正确性。　　其次，采用牛顿-欧拉迭代算法完成了本机构动力学研究，此算法在程序运算上具有便捷性，在后续优化求解中构建动力学约束更方便。根据构建的算法通过MATLAB编程求出了本机构动力学逆解，并在Adams的仿真分析中对比验证了结果的正确性。通过本机构的动力学研究，在满足任务需求的前提下，可以更好的发挥本机构力学性能。　　再次，研究了本机构在笛卡尔空间和关节空间的轨迹规划，选择了合适的规划方法，满足了不同的实际任务要求。根据规划算法通过MATLAB编程，验证了不同方法进行本机构轨迹规划的效果，规划出的轨迹曲线连续性和平滑性效果好，证明了轨迹规划方法在本机构应用的有效性。通过本机构的轨迹规划研究，使机构完成试验任务更高效，并在此基础上进一步完成了轨迹优化。　　最后，由于前面轨迹规划中没有考虑动力学约束，规划出的轨迹不是时间最优，针对该问题，提出了以时间最短为优化目标的轨迹优化。以三次样条插值方法构建了运动学约束，以牛顿-欧拉迭代法构建了动力学约束，利用遗传算法求解了优化数学模型。通过遗传算法工具箱仿真计算，求出了最优轨迹所需的最短时间。通过最优轨迹曲线证明了结果满足约束条件，并且最优解使机构性能得到了充分发挥。仿真结果验证了本文研究的轨迹优化算法的正确性和实用性。

目录

1 绪 论

1.1课题的来源与背景

1.2研究的目的及意义

1.3国内外研究现状

1.3.1特种六自由度机构研究现状

1.3.2刚体动力学研究现状与分析

1.3.3轨迹规划研究现状与分析

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

2 六自由度机构介绍及运动学分析

2.1引言

2.2六自由度机构介绍

2.2.1试验需求及机构功能分析

2.2.2机构的结构介绍

2.3.1运动学基础

2.3.2机构运动学正解

2.3.3机构运动学逆解

2.3.4运动学模型仿真验证

2.4本章小结

3 六自由度机构动力学研究

3.1引言

3.2.1动力学研究方法

3.2.2机构连体坐标系与动力学参数

3.2.3牛顿-欧拉方法

3.2.4递推形式的牛顿-欧拉动力学方程

3.3动力学模型仿真验证

3.4本章小结

4 六自由度机构轨迹规划

4.1引言

4.2笛卡尔空间轨迹规划

4.2.1空间直线插补

4.2.2空间圆弧插补

4.3关节空间轨迹规划

4.3.1三次多项式插值

4.3.2三次样条插值

4.4本章小结

5 基于遗传算法的时间最优轨迹优化

5.1引言

5.2遗传算法介绍

5.2.1遗传算法原理

5.2.2遗传算法设计

5.3时间最优轨迹优化

5.3.1优化问题的数学模型

5.3.2基于三次样条时间最优的遗传算法实现

5.4仿真与验证

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录

C. 学位论文数据集

D. 程序代码

致 谢