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模块化机械臂构型优化及轨迹规划方法研究

赵聪慧  
【摘要】:随着科技的发展,模块化机械臂已经被广泛应用在工业生产的各个领域,不仅降低了生产成本,还提升了生产效率。构型优化设计是模块化机械臂得以应用的基础,因此对构型优化方法的研究具有很重要的意义。本文采用可操作度、任务点处所需克服重力和工作空间体积作为构型优化指标,选用NSGA-II进行模块化机械臂构型优化研究。基于构型优化得到的焊接机械臂,对给定焊接任务进行轨迹规划,通过轨迹规划仿真实验验证了焊接机械臂对给定任务的适应性,证明了模块化机械臂构型优化方法的可行性。首先,对模块库进行种类划分,介绍了模块库中每种模块的结构参数和性能特点。分析每个模块的装配方式,用D-H参数和连杆装配矩阵联合作为机械臂构型的数学表达式,数学表达式和机械臂构型一一对应。制定编码规则,对机械臂数学表达式进行二进制编码。接下来,用改进D-H参数法建立机械臂连杆坐标系,根据D-H参数自动建立机械臂运动学模型。在任务点处求取机械臂的数值逆解和雅克比矩阵。根据牛顿-欧拉方程用牛顿-欧拉迭代法建立机械臂动力学模型。为机械臂构型优化设计奠定了基础。然后,选用可操作度、任务点处所需克服重力和工作空间作为机械臂构型的性能评价指标,可达性、关节角度范围和自由度数作为构型设计的约束条件,用多目标遗传算法NSGA-II进行机械臂构型优化筛选。针对空间焊接任务进行机械臂构型优化设计,得到两个自由度不同的机械臂,对优化得到的两种机械臂进行工作空间分析,选取五自由度机械臂作为焊接机械臂。最后,建立五自由度焊接机械臂运动学模型,并求取机械臂的解析逆解,结合关节空间五次多项式插值和笛卡尔空间抛物线拟合直线插值对焊接机械臂进行轨迹规划。利用Matlab对轨迹规划结果进行仿真实验验证,通过轨迹规划结果验证了焊接机械臂构型的合理性,证明了构型优化方法的可行性。


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