三分支机器人运动学建模与动力学特性分析

摘要

随着科技的进步、社会的发展，人们探索大自然的能力越来越强，已经从对地球的探索上升为对太空的探索。众所周知，太空环境十分恶劣，不适合人类生存，因此，空间机器人的研究势在必行。空间机器人由于工作的环境与地面机器人工作的环境不同，因此，空间机器人不但在组成材料和控制器件上不同于地面机器人，而且在结构上也与地面机器人有差别。在太空中，任何物体处于微重力环境，机器人对任何物体操作时，都需要有其它机器人使物体固定，因此，多个机器人联合作业是空间机器人的重要特征之一。由于机器人从地面发射到太空，发射费用昂贵，为减轻机器人的重量，多机器人转变为多分支机器人。空间机器入主要是代替宇航员双臂和宇航员的腿，完成某些任务，因此，多分支机器人简单形式是三分支机器人。 空间机器人需要在两个坐标系下进行工作，一个是载体坐标系，另一个是惯性坐标系。在载体坐标系下工作，主要是操作与载体固连的仪器设备，与地面机器人的运动方式相同。在惯性坐标系下工作，主要是对空间漂浮物体进行操作，需要考虑载体运动对轨迹规划的影响。针对空间机器人的工作特点，论文从以下几个方面进行研究。 1.机器人运动分析：分析了三分支机器人与其它机器人建立运动学模型的差别，对于三分支机器人，采用分离系数的方法，从不同分支组合出发建立运动学模型。机器人各个连杆在空间描述为一个矢量，连杆的轴线方向可以由连杆端点的位置表示，如果机器人各个连杆在空间的位置确定，再结合机器人正运动学方程，可以得到机器人各个关节变量，进而求得关节的速度和加速度。 2.机器人避障分析：障碍物躲避的规划就是确定出机器人连杆端点坐标值，使机器人在整个运动过程中，机器人的连杆不与障碍物相碰。论文对三分支机器人在空间中的位置通过机器人连杆的端点坐标来描述，应用连杆端点位置建立方程，并直接得到机器人连杆端点的位置，再求得机器人连杆与障碍物的距离函数，应用梯度法来增加机器人与障碍物之间的距离。如果无法避开时，距离函数转变为速度函数，以速度函数影响机器人末端轨迹，从而达到避障的目的。 3.机器人灵活性分析：机器人的灵活性用机械手速度比椭球来描述的，椭球的长轴与短轴之比越接近1，灵活性就越好。论文根据速度比椭球的长轴和短轴，构造两个矢量，提出一种矢量逼近方法改善机器人的灵活性。 4.机器人动力学分析：对三分支机器人的不同分支组合建立动力学模型，对不同分支分离动力学方程系数，重新构成三分支机器人的动力学模型，并利用最优化理论中的乘子罚函数算法对三分支机器人系统的驱动力矩进行了优化。 5.空间自由漂浮机器人：空间自由漂浮机器人主要是在舱内捕获物体，在微重力的环境下机器人的基座和舱体相对于捕获目标在空中做自由漂浮运动，对自由漂浮机器人运动学建模通常采用虚拟操作臂和动量守恒的方法，虚拟操作臂方法是在线动量守恒的基础上提出的，为了使机器人能够安全平稳地工作，本文针对我们研制的空间6R机器人应用动量守恒方法进行运动学和动力学分析。在太空中，微处理器的运算速度很慢，为了满足控制实时性的要求，采用手眼相机与位置逆解相结合的方法对算法进行了优化，并在实验板上调试通过，满足系统控制要求。 6.机器人仿真系统建立及实验：机器人仿真系统是加快促进机器人研究的一种有效途径，本文应用基于VC环境下的OpenGL建立机器人的仿真系统，系统中可以设定多个关键点，机器人沿着关键点运动。仿真系统不但能够仿真地面环境下的机器人运动，也能够仿真太空中机器人的自由漂浮运动。另外，论文利用Powercube机器人对机器人的灵活性和三分支机器人的协调运动进行了实验。 综上所述，论文建立了三分支机器人运动学和动力学方程，并对于相关的一些比较重要的问题也做了详细的研究。对于空间三分支机器人分析了机器人在自由漂浮状态下和自由飞行状态下的运动学和动力学问题，为了实现实时控制，改进了控制算法。论文建立了一个机器人仿真系统，并应用Powercube机器人进行了实验。

目录

文摘

英文文摘

独创性（或创新性）声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章三分支机器人运动学建模

第三章三分支机器人避障运动规划

第四章冗余度三分支机器人的灵活性

第五章三分支机器人动力学分析

第六章空间三分支机器人运动轨迹规划

第七章机器人仿真系统及实验

第八章结论与展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文