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六自由度串联机械臂结构优化与控制特性的研究

作　者: 张庆
导　师: 许德章
学　校: 安徽工程大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 六自由度串联机械臂 关节动力分析 作业空间 结构优化 控制特性
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 73次
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内容摘要


精度、响应速度、稳定性是考核机器人性能的重要指标,取决于机械系统的控制特性,以及控制系统的控制结构和算法。针对工业作业机器人存在带宽窄、运动速度受限以及精度不足等缺陷,国内外专家主要关注控制系统结构和算法研究。鉴于工业作业机器人采用串行、开式布置,机械系统的刚度、惯性、阻尼等参数是制约其控制品质进一步提高的关键因素。本文基于机械惯量最小的优化目标,利用系统学观点,逐一研究各关节驱动部件配置、机械质量分布、以及关节支撑装置的优化,以期最大限度地改善机械系统的控制品质。笔者在项目“六自由度串联机械臂的研制”的基础上,进一步优化机械臂本体结构,改善机械臂的控制特性,主要研究工作如下：完成机械臂各关节的动力分析；依据惯量匹配和动力计算结果,精心构思了各关节传动形式,完成了各关节驱动装置的选型；组建了控制系统的平台,完成机械臂控制系统的设计运用D-H法对机械臂进行运动学分析,推导出其运动学正解、运动学逆解和雅克比矩阵；采用MATLAB软件,求出机械臂的作业空间形状,并计算出作业空间面积,获得了机械臂作业空间范围,并为机械臂结构优化提供了必要条件以机械臂底座动力分析、计算为重点,建立了其动力方程,通过提高关节支撑装置的刚度,减小系统阻尼系数等一系列技术措施,有效改善了底座系统的动态特性。分别采用优化电机、减速器的安放位置,或在大、小臂间布置平衡弹簧两套优化方案,改善肘关节和肩关节的控制特性。本文的创新点体现为：针对作业机器人不同性质关节,在传动设计、驱动器选择和质量配置等设计环节,采用恰当、有效技术措施,可以有效改善机械系统的控制品质,为提高工业机器人精度、响应速度和稳定性创造了良好条件。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章 绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 课题研究意义  12-13
  1.3 国内外相关研究  13-18
  1.4 本课题来源和研究内容  18-19
  1.5 主要创新点  19
  1.6 本章小结  19-20
第2章 关节动力分析与部件选型  20-38
  2.1 引言  20
  2.2 控制系统设计  20-25
    2.2.1 驱动方式的选择  20-23
    2.2.2 总体控制系统的构建  23-25
  2.3 关节动力分析  25-37
    2.3.1 腰关节动力分析  26-29
    2.3.2 肩关节动力分析  29-31
    2.3.3 肘关节动力分析  31-33
    2.3.4 腕关节动力分析  33-36
    2.3.5 手关节动力分析  36-37
  2.4 小结  37-38
第3章 机械臂运动学及作业空间分析  38-54
  3.1 引言  38
  3.2 机械臂正运动学分析  38-42
  3.3 机械臂的逆运动学分析  42-46
  3.4 机械臂的雅可比矩阵  46-49
    3.4.1 雅可比矩阵的定义  46-47
    3.4.2 雅可比矩阵的求法  47-49
  3.5 机械臂的作业空间分析  49-53
    3.5.1 作业空间的定义  49
    3.5.2 求解机械臂的作业空间  49-51
    3.5.3 计算作业空间面积  51-53
  3.6 小结  53-54
第4章 关节支撑装置的优化  54-70
  4.1 引言  54
  4.2 底座本体的设计  54-57
    4.2.1 底座设计的基本要求  54-56
    4.2.2 底座的结构设计要点  56-57
  4.3 底座机械系统的数学模型  57-61
    4.3.1 建立系统动力学方程  57-58
    4.3.2 计算系统各参数  58-61
  4.4 机械系统的动态特性分析  61-63
  4.5 机械系统的结构优化  63-67
  4.6 系统的MATLAB仿真  67-69
  4.7 小结  69-70
第5章 典型关节的动态特性分析与优化  70-88
  5.1 引言  70
  5.2 肘、肩关节的驱动原理  70-71
  5.3 建立肘、肩关节机械系统的数学模型  71-76
    5.3.1 建立系统动力学方程  71-72
    5.3.2 计算系统各参数  72-76
  5.4 系统的结构优化  76-83
    5.4.1 肘关节系统的动态特性分析  76
    5.4.2 肘关节的优化方案  76-83
  5.5 系统的MATLAB仿真  83-87
  5.6 小结  87-88
第6章 结论与展望  88-90
  6.1 论文总结  88-89
  6.2 未来研究展望  89
  6.3 机械臂应用展望  89-90
参考文献  90-94
攻读硕士学位期间所发表的学术论文和成果目录  94-95
致谢  95

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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