收藏本站
《大连理工大学》 2004年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于微分几何学的机器人操作性能的研究

张连东  
【摘要】:本文应用现代微分几何学的方法,对机器人机构操作性能评价指标和轨迹规划问题进行了研究。将机器人的运动学和动力学性质通过活动标架法和黎曼度量映射为相应的几何曲面,利用该曲面上的体积元素、黎曼曲率和测地线等几何不变量的几何性质,研究机器人的操作性能和最优轨迹规划,构成了本文工作的主线。 本文首先应用现代微分几何的活动标架法,建立了一种新的机器人运动学正解的递推公式和速度递推公式。由活动标架的递推公式,得到了机器人末端执行器上的活动标架,所有活动标架的集合构成了机器人工作空间的几何曲面。将外微分与活动标架法相结合,定义该曲面上的体积元素作为机器人的运动学操作性能评价指标,它是不变量,根据微分几何中体积元素的几何意义,该体积元素反映了机器人末端执行器平移和旋转的综合能力。体积元素越大,机器人的综合操作性能越好,体积元素是关节转角的函数,本文利用该指标确定了机器人的最优操作位姿,然后对体积元素进行积分,得到了一个综合指标。当体积元素为零时,机器人的综合操作性能最差,机器人处于奇异状态,由此可以得到机器人的奇异位姿,传统的机器人奇异性分析是基于雅可比矩阵的行列式为零的。用外微分定义的体积元素形式简洁,计算量小,本文将活动标架法与外微分相结合,使外微分的几何意义能够很好地与机器人的操作性能对应上,解决了外微分无法应用于机器人操作性能分析的难题。 本文分别以机器人的轨迹弧长的平方以及机器人系统的动能为黎曼度量,将机器人的运动学和动力学性质映射为相应的黎曼曲面。该黎曼曲面上的测地线是不变量,它是曲面上两点之间距离最短的必要条件。在此基础上,本文提出了基于测地线的机器人最优轨迹规划方法。运动学曲面上两点之间的测地线对应于机器人两点之间路径最优的轨迹,动力学曲面上两点之间的测地线对应于机器人两点之间动能最优的轨迹。通过解不同黎曼曲面上的测地线的微分方程并将其映射到机器人的各关节变量,充分利用各关节之间的耦合关系,得到了机器人的运动学和动力学最优的轨迹。最后,本文给出了几种二自由度和三自由度机器人的轨迹规划算例,对所得到的运动学和动力学最优轨迹规划结果进行了仿真,验证了基于测地线的轨迹规划方法的正确性。该方法利用测地线直接得到机器人最优轨迹的方程,而常规的最优轨迹规划方法是基于多项式轨迹的数值逼近。另外,该方法是以测地线轨迹的弧长为参变量的非时间参考的轨迹规划方法,它反映了机器人运动轨迹的实时信息,因此,在应对复杂环境时就更具有智能性。 总之,本文利用现代微分几何学中的活动标架法和通过建立黎曼度量,将机器人的运动学和动力学性质映射为相应的几何曲面,结合该曲面上测地线、体积元素和黎曼曲率等不变量的几何性质,将外微分应用于机器人操作性能分析,并提出了一种基于测地线的最优轨迹规划方法,将机器人的轨迹弧长和系统的动能分别用测地线的弧长来表示,通过解测地线的方程直接得到机器人的最优轨迹。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP242

手机知网App
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 崔学良;韩先国;陈五一;;大尺寸弱刚性构件对接装配系统轨迹规划[J];计算机集成制造系统;2011年05期
2 张延恒;孙汉旭;贾庆轩;;改进的基于测地线的机器人轨迹规划方法[J];中南大学学报(自然科学版);2011年05期
3 葛洪央;葛新锋;赵大旭;;机器人运动学操作性能研究[J];郑州大学学报(工学版);2013年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 牛帅;基于关节单元库的模块化机械臂的优化与分析[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 廖波;基于Sarrus机构的模块化机器人拟人手臂研究[D];国防科学技术大学;2011年
3 苏柏泉;微分几何方法在潜器操纵运动中的研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 郭立新,赵明扬,张国忠;空间冗余度机器人最小关节力矩的轨迹规划[J];东北大学学报;2000年05期
2 范守文,徐礼钜,甘泉;一种新型并联机床的最优轨迹规划[J];电子科技大学学报;2003年01期
3 黄田,汪劲松,D.J.Whitehouse;Gough-Stewart平台运动学设计理论与方法[J];中国科学E辑:技术科学;1999年04期
4 吴镇炜,谈大龙;机械手空间圆弧运动的一种有效轨迹规划方法[J];机器人;1999年01期
5 倪雁冰,王洋,张玉敏,李亚,梅江平,黄田;3-HSS虚轴机床位置正解算法[J];机械设计;2000年05期
6 黄田,汪劲松,WhitehouseDJ;Stewart并联机器人局部灵活度与各向同性条件解析[J];机械工程学报;1999年05期
7 蔡光起,胡明,郭成,李波,王启明,戴炬;机器人化三腿磨削机床的研制[J];制造技术与机床;1998年10期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 高洪;赵韩;;并联机器人机构学理论研究综述[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2006年01期
2 汪雨萌;钱桦;谭月胜;周满平;;五自由度采摘机械臂运动学通用算法应用[J];安徽农业科学;2012年03期
3 姚静荪;关于可展曲面的一点注记[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2000年03期
4 洪涛清;;关于T.J.Willmore猜想的一点注记[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2006年02期
5 丁春华;两卵形弧间的等距对应[J];安徽师大学报(自然科学版);1996年03期
6 竺长春,王焕宝;尖端效应的一种近似描述[J];安徽师大学报(自然科学版);1997年04期
7 张建建;卢向华;;曲面上非直线的渐近曲线的挠率与第Ⅰ、Ⅱ基本量的关系[J];安康师专学报;2006年01期
8 孙岩;三维Minkowski空间中的距离问题[J];鞍山科技大学学报;2003年06期
9 李德禄;李群R~3|×GL(3)的Maurer-Cartan形式的两种证明[J];安阳师范学院学报;2005年05期
10 嵇国金,马奎,王磊;微纳操作器运动学分析[J];微纳电子技术;2003年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 崔博文;陈剑;陈心昭;;工业机器人在噪声测量上的应用研究?[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 阮久宏;荣学文;吴三友;;凿岩机器人液压系统ADRC控制器设计与仿真[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 孙立宁;刘彦武;曲东升;李长峰;;靶定位并联机器人控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 孙立宁;李长峰;曲东升;刘彦武;;ICF精密并联机器人系统的研制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 胡英;吴德烽;;一种柔性检测机器人的运动学研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 方浩;李路;贾睿;窦丽华;;考虑地面影响因素的轮式机器人轨线跟踪控制联合仿真[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 张豫南;王双双;张健;宋杰;;基于虚拟样机的全方位移动平台运动控制研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
8 张淑琴;马英忱;程兆刚;赫万恒;曹洪娜;;理论力学中“点的运动学”教学的几点思考[A];力学与工程应用(第十三卷)[C];2010年
9 金振林;高峰;;基于6-SPS三维平台机构的新型并联机床刚度分析[A];第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集(第二卷)[C];2000年
10 邱艳峰;于立娟;刘荣升;高英杰;;智能化泵车臂架电液操控技术的开发研究[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 常艳艳;水下运载器对接装置虚拟仿真系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李晚龙;六自由度Stewart平台分散智能控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 孙建;基于外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
4 梁桥康;特殊应用的多维力/力矩传感器研究与应用[D];中国科学技术大学;2010年
5 张克涛;变胞并联机构的结构设计方法与运动特性研究[D];北京交通大学;2010年
6 皮阳军;电液伺服并联六自由度舰船运动模拟器轨迹跟踪控制及其应用研究[D];浙江大学;2010年
7 李雨桐;并联机构运动奇异性及其动态稳定性研究[D];浙江大学;2010年
8 吴乐彬;基于电液伺服并联六自由度机构的广义负载模拟理论和实验研究[D];浙江大学;2010年
9 张淑平;基于视觉的并联机器人位姿检测方法研究[D];东华大学;2010年
10 庄梅玲;三维衣身原型曲面展平技术的研究[D];东华大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 何慧娟;基于多传感器的移动机器人障碍物检测与定位研究[D];安徽工程大学;2010年
2 汪步云;水下作业机械手抓取力伺服控制的研究[D];安徽工程大学;2010年
3 户燕会;工业机器人的工作空间和误差补偿的分析与仿真[D];河南理工大学;2010年
4 雷云云;基于被动式四足机器人的运动学及动力学分析[D];山东科技大学;2010年
5 詹峰;井下煤仓清仓机器人机械臂结构设计与新型清仓技术研究[D];山东科技大学;2010年
6 郑灿东;输电线路除冰机器人控制系统的研究[D];山东科技大学;2010年
7 孙晓红;小口径深井救援机器人的设计研究[D];山东科技大学;2010年
8 张祖华;2-PPa移动并联机构运动学设计[D];浙江理工大学;2010年
9 郭大杰;3-PRRRR移动并联机构自由度、约束奇异和运动学分析[D];浙江理工大学;2010年
10 王立;面向非结构化地形的六足步行机器人运动规划研究[D];浙江理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陆震;杨光;王启明;南仁东;;FAST望远镜主动反射面促动机构运动学研究[J];北京航空航天大学学报;2006年02期
2 罗凯,李俊,许汉珍;潜艇近水面运动的定深控制研究[J];船舶工程;1999年05期
3 王文涛,李媛,刘晓平,赵军;非线性奇异控制系统的干扰解耦问题[J];东北大学学报;2003年10期
4 李树军,张艳丽,赵明扬;可重构模块化机器人模块及构形设计[J];东北大学学报;2004年01期
5 段富海,韩崇昭;非线性系统解耦控制理论在飞控中的应用[J];电光与控制;2001年04期
6 李东洁;邱江艳;尤波;;一种机器人轨迹规划的优化算法[J];电机与控制学报;2009年01期
7 费燕琼,况迎辉,赵锡芳,徐卫良;可装配的模块机器人动力学的自动生成[J];东南大学学报(自然科学版);2000年02期
8 雷延花,陈士橹;基于微分几何方法的大迎角导弹解耦控制[J];飞行力学;2003年04期
9 艾剑良;朱书峰;高明;;基于解耦控制的飞机飞行控制方法仿真研究[J];飞行力学;2005年04期
10 李季陆,方振平;非线性解耦控制理论在飞控系统设计中的应用研究[J];飞行力学;1994年01期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 韩冰;欠驱动船舶非线性控制研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
2 方红庆;水力机组非线性控制策略及其工程应用研究[D];河海大学;2005年
3 王卫忠;可重构模块化机器人系统关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 郭存良;6-DOF并联机器人动力学建模、非线性解耦及控制[D];燕山大学;2000年
2 秦英;现代微分几何方法在飞机控制系统中的应用[D];西北工业大学;2003年
3 赵秀凤;整体微分几何方法在人造卫星控制系统中的应用[D];西北工业大学;2003年
4 梁朝;非线性励磁控制器的研究[D];西安理工大学;2004年
5 谷盛;非线性励磁控制器的设计与实现[D];天津大学;2003年
6 沈俊;可重构机器人动力学与控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
7 李琳;SCARA机器人运动控制数字仿真的研究[D];大连交通大学;2007年
8 闫华晓;模块化工业机器人设计的若干问题研究[D];浙江大学;2008年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 潘立鑫;水下机器人近水面横遥减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王晓玢;突变控制方法及其在船舶运动中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 王帮峰,张国忠,戚靖洋;液压履带起重机起升机构动力学分析[J];东北大学学报;1998年05期
2 范守文,徐礼钜,甘泉;一种新型虚轴机床的结构设计与位置分析[J];电子科技大学学报;2001年05期
3 黄田,汪劲松,D.J.Whitehouse;Stewart并联机器人位置空间解析[J];中国科学E辑:技术科学;1998年02期
4 黄宗益,王康,杨劲松;挖掘机工作装置轨迹控制[J];建筑机械;1998年02期
5 杨向东,李鸿,汪劲松;五自由度作业要求下 Stewart 平台的运动特性[J];清华大学学报(自然科学版);1998年11期
6 汪劲松,黄田;并联机床——机床行业面临的机遇与挑战[J];中国机械工程;1999年10期
7 李铁民,汪劲松,杨向东,段广洪;基于Stewart平台数控机床的轨迹规划研究[J];中国机械工程;1999年10期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;美航空航天局将再次试验丹蒂机器人[J];机器人情报;1994年02期
2 司艳姣,王琪;机器人参加农活[J];国外科技动态;1995年12期
3 李忠东;形形色色的机器人[J];机器人技术与应用;1995年06期
4 顾长庚;走创新之路加速上海机器人事业的发展[J];机电一体化;1995年02期
5 ;1995年世界工业机器人发展概况[J];机器人技术与应用;1997年03期
6 ;1998年《机器人技术与应用》总目录[J];机器人技术与应用;1998年06期
7 刘进长;世纪之交我国机器人发展战略研究[J];机器人技术与应用;2000年03期
8 蔡自兴;21世纪机器人技术的发展趋势[J];南京化工大学学报(自然科学版);2000年04期
9 戴兴忠;英美:机器人灭火勇无比[J];消防月刊;2000年06期
10 王伟;世界机器人2002年统计数据[J];机器人技术与应用;2004年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王瑶;高长青;王刚;肖苍松;杨明;李佳春;王加力;;术中经食管超声心动图在全机器人房间隔缺损修补术中的作用[A];中华医学会第七次全国胸心血管外科学术会议暨2007中华医学会胸心血管外科青年医师论坛论文集心血管外科分册[C];2007年
2 张思明;;微特电机在机器人中的应用与发展[A];'2001第六届中国小电机技术研讨会论文集[C];2001年
3 肖海荣;周应兵;周风余;苏学成;李贻斌;;基于插补算法的大型喷浆机器人轨迹规划[A];2001中国控制与决策学术年会论文集[C];2001年
4 钱炜;樊堂堂;;机器人的机电一体化设计[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年
5 黄进;汪洋;马孜;刘滨春;;一种航空发动机整体叶盘在线检测新技术[A];2009年中国智能自动化会议论文集(第五分册)[东南大学学报(增刊)][C];2009年
6 何发昌;全小平;;机器人发展概况与展望[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年
7 孟凡义;臧泳霈;;铁路提速、重载货车工艺装备的核心技术——转向架保持环检测机器人[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
8 崔嵬;强盛;高晓智;;人工内分泌系统研究及应用[A];第25届中国控制会议论文集(中册)[C];2006年
9 鲁京立;卜春光;;轮-腿复合移动机器人构型控制及越障策略[A];2009全国虚拟仪器大会论文集(二)[C];2009年
10 裴海龙;周其节;梁天培;;神经网络变结构控制[A];1995年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集(下册)[C];1995年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 冬冬;看看自动化机器人在包装业中能起多大作用[N];中国包装报;2005年
2 柯杨;仨孩子玩机器人 世锦赛上拿金奖[N];河南日报;2007年
3 靳贤英;“机器人”不能代替正常监管[N];医药经济报;2007年
4 何德功;日本“培养”机器人做家庭好帮手[N];新华每日电讯;2005年
5 本报驻美国记者 张孟军;和机器人面对面[N];科技日报;2005年
6 编译 江鑫;机器人能像婴儿一样感知世界[N];北京科技报;2006年
7 本报记者 吴洣麓;保洁机器人彻底解放家务懒虫[N];北京科技报;2007年
8 冰丘;日本提前预防机器人暴动[N];工人日报;2007年
9 记者 卞晨光;农用机器人靠阳光定时劳作[N];科技日报;2006年
10 记者 钱铮;家务机器人能干,还不会闹“保姆荒”[N];新华每日电讯;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张连东;基于微分几何学的机器人操作性能的研究[D];大连理工大学;2004年
2 贾艳辉;汽车组合开关操作性能试验测试与评价方法研究[D];吉林大学;2008年
3 范红;智能机器人路径规划及避障的研究[D];浙江大学;2003年
4 姜春福;基于神经网络的机器人模型辨识与控制研究[D];北京工业大学;2003年
5 干方建;基于多维力传感器的机器人动态特性若干问题的研究[D];合肥工业大学;2003年
6 黄晓华;机器人操作性能的微分流形理论与方法研究[D];大连理工大学;2006年
7 詹建明;机器人研磨自由曲面时的作业环境与柔顺控制研究[D];吉林大学;2002年
8 范良志;串并联HIFU肿瘤治疗原型机的机构设计、运动控制和运动学参数标定[D];华中科技大学;2005年
9 方海燕;非正交系非接触坐标测量机关键技术研究[D];西安理工大学;2005年
10 刘庆波;水平运动的欠驱动机器人运动规划与控制研究[D];北京工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘玉军;机器人多自由度关节的研究[D];浙江工业大学;2002年
2 刘辉祥;机器人等离子熔射制模路径规划及工艺研究[D];华中科技大学;2004年
3 龙海燕;SHAA移动机器人实时神经网络路径规划算法[D];四川大学;2005年
4 焦尚伟;嵌入式Linux在轮式机器人控制中的应用[D];大连理工大学;2006年
5 程军;六自由度关节型机器人本体设计和控制系统的研究[D];哈尔滨理工大学;2004年
6 王兰兰;集控式微型足球机器人的研究与设计[D];大连理工大学;2005年
7 卢瑾;基于遗传算法的机器人路径规划研究[D];浙江工业大学;2006年
8 丁冬平;基于焊接机器人的熔焊成形系统及成形规律的研究[D];华中科技大学;2005年
9 李建红;人性化机器人的研究、设计与实现[D];华北电力大学(北京);2006年
10 赵春光;微小研抛机器人运动与加工系统研究[D];吉林大学;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026