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可重构模块化机器人构型设计理论与运动学研究

王永甲  
【摘要】: 可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成,这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。现代工业生产的环境与任务是多变的,需要采用能够快速适应任务的制造系统。可重构模块化机器人的特点恰恰满足了现代化生产的这种需求,提高了工作效率,降低了成本。本文正是基于这一点,对可重构模块化机器人的基本模块、构型数学表达方法、构型优化方法与运动学作了相应研究。 在分析了国内外可重构模块化机器人研究现状的基础上,本文概念性地设计了四种基本模块:旋转模块、摆动模块、方块和连接模块。并采用谐波齿轮减速机构作为传动机构,设计了旋转模块和摆动模块的机械结构。 构型数学表达是构型优化的基础。本文提出了一种基于关联矩阵的构型表达方法,该矩阵能够表达出一个构型的所有信息,并且与构型一一对应。构型设计是可重构机器人设计的核心内容,本文建立了构型设计的优化模型,量化了运动学评价指标,在构型优化中采用了遗传算法,通过实例计算,验证了该构型设计方法的有效性。 运动学建模问题是可重构机器人的主要研究内容之一。本文应用旋量理论和指数积公式,得到了一种简便的正运动学建模方法,大大简化了不同构型的机器人运动学分析,并且利用MATLAB语言编写了正运动学通用计算程序;接着对逆运动学数值解法进行研究,应用局部指数积公式和微分运动学公式建立逆运动学模型,进一步用牛顿—拉普松迭代法得到逆运动学迭代公式,最后编写了逆运动学通用计算软件。


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