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基于关节单元库的模块化机械臂的优化与分析

牛帅  
【摘要】: 模块化机械臂的基本组成元件是关节单元,可以根据实际情况组合出不同规格的机械臂,能够适应多变的工作环境和任务要求,近年来已成为机器人研究的一个新的热点问题,引起了国内外众多学者的关注。本文基于构建的关节库,主要研究内容包括机械臂臂长优化、轨迹规划以及实例仿真等部分。 首先,本文提出了三种不同的运动学性能指标,三种性能指标具有不同的应用范围,结合模块化机械臂的特点,分别优化了两自由度、三自由度以及六自由度机械臂的臂长,获得机械臂杆长的最佳比例关系。 然后,本文根据模块化原则设计了一种关节单元,构建了包含48个关节单元的单元库,并对构件进行了速度分析,用Newton-Euler法推导出了机械臂关节力矩递推公式。根据机械臂的动力学特性,提出了三种动力学性能评价指标,并在此基础上构造了模块化机械臂多目标优化模型。 此外,本文提出了模块化机械臂运动学问题的新方法,在此基础上利用杆件参数优化结果,对4-DOF模块化机械臂进行了直线轨迹规划,对于6-DOF机械臂,采用4-3-4多项式轨迹在关节空间进行了轨迹规划,绘出了轨迹曲线,生成了轨迹样本。 最后,在构建的关节单元库的基础上,本文分别利用遗传算法和一般优化算法,遴选出6-DOF和4-DOF模块化机械臂的关节单元组合,运用ADAMS进行虚拟样机仿真,经过验证,两组关节单元组合均满足了约束条件。从仿真结果可以得出结论,本文所研究的机械臂关节单元优化组合方法可行。


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