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基于轨迹的3R串联搬运机械手动力学优化研究

刘建东  
【摘要】:机器人在现今的社会中扮演着越来越重要的角色,其中串联机械手更是因其灵活性在诸多领域起着不可替代的作用。然而随着机械手应用领域不断增多,任务难度不断增大,使机械手的动力学性能也需要有更严格的规定。因此提出一种串联机械手动力学优化方法,使其能够在与原型机相比动力学性能更佳的情况下完成搬运物料的工作。根据原型机结构绘制机械手机构示意图以及生产线实际工作空间。利用D-H变换对已经参数化的机械手模型进行分析,进而得到3R串联机械手的运动学参数表达式。得到表达式后,即可获得带有参数的机械手运动学正解,通过反求后可得到带有参数的机械手逆解,并选取随机点举例考察所得结果是否正确。根据生产任务要求,确定了机械手末端执行器的运行轨迹。由于已经给定路径点,首先可以使用运动学知识得出各关节角的变化情况。已知各关节角的变化情况后,进而使用三次插值的办法对各关节进行轨迹规划。运用拉格朗日函数计算带有参数的3R搬运机械手的各关节力矩表达式。首先定义了拉格朗日函数,并从速度角度推得机械手动能和位能,最终推出动力学方程通式。将模型的各项参数带入方程当中,获取了带有参数的各关节力矩的表达式,并带入实例求解以便后续的对比和验证。基于机械手的生产特点,选择合适的目标函数对机械手进行优化求解。根据前文已经求得的各关节力矩表达式求出总关节力矩,并选取轨迹上加速度最大处的总关节力矩作为目标函数。给出适当的约束条件并通过合适的优化方法对机械手进行动力学优化设计,求解出在该目标函数下使机械手具有更优良的加速性能的结构参数。最后,使用ADAMS仿真软件对机械手进行仿真,通过对比两机械手的关节力矩,验证了优化后的机械手动力学性能确实得到提升,同时验证了运动学、轨迹、动力学等公式推导的正确性。本研究将实际的工作情况和机器人理论分析建立在一起,采用直接对动力学模型优化的方法,对改善机械手的动力学性能提出较为有效的方案,为机械手进一步优化研究开启了新的思路和方向。


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