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一种双臂机器人的结构设计与运动控制

徐锦涛  
【摘要】:传统工业机器人在重复工业如焊接、码垛、搬运等产业被大量应用,但因其结构质量大、柔顺及刚度低、可操作性差、维护繁琐等缺点,限制了自身的应用领域。双臂机器人通过两组串联机械臂组成闭环运动链结构,实现双臂协调工作,具有更高的灵活性、适应性、占用空间少及高冗余等优点,在机器人领域有着广泛的应用前景。本文针对特定的工作环境和任务要求,自主设计制作了一种轻型绳驱动双臂机器人。结构设计方面:双臂机器人的机械结构设计、选型与制作,搭建并测试实验样机。理论方面:建立了双臂机器人的运动学模型;推导出轨迹规划方法和加减速控制方法;建立双臂动力学模型。仿真实验方面:基于ANSYS软件校核结构;基于MATLAB软件和ADAMS软件验证运动学、轨迹规划等理论;基于实验样机检验理论的实际效果。具体研究内容如下:(1)双臂机器人结构设计。首先,设计了双臂机器人的总体结构,包括设计机型、自由度、驱动系统及技术参数等。其次,设计了具体结构,包括绳驱动关节、连杆等零件设计;电机、钢丝绳、轴承等部件选型;传感器、电路布线以及接口布置等。然后,基于ANSYS软件校核结构;设计零件加工要求,包括精度要求、工艺要求、装配要求等。接着,绘制零件图,加工零件,装配双臂机器人的机械部分。最后,设计检测实验,应用机械部分、传感部分及控制部分组成的双臂机器人实验样机检验尺寸、负载和转动精度等,证明实验样机的稳定性和可操作性,验证设计结构的合理性。(2)基于MD-H方法,推导出机器人正、逆运动学方程,并结合双臂协调运动关系,推导出双臂机器人的协调运动学方程。基于拉格朗日动力学方程推导了机器人和接触环境的动力学模型。基于蒙特卡罗法求解双臂机器人的工作空间,并且提出一种基于判断两点距离的简便方法求解双臂机器人的协调工作空间。(3)基于过路径点的五次多项式插值法,进行双臂机器人的轨迹规划,结合五段S型曲线加减速控制方法、数据采样插补方法和速度周期补偿方法对双臂机器人进行轨迹规划和运动控制。这种结合方法能补偿理论连续规划与电机离散化驱动产生的误差,提高实验样机在实际运动中的效率、准确性和稳定性。(4)基于MATLAB软件和ADAMS软件进行虚拟仿真,建立双臂机器人的可视化模型,验证运动学理论及轨迹规划算法的正确性,分析和评价双臂机器人综合运动性能。最后,基于双臂机器人实验样机完成作业任务,分析和评价实验结果,验证推导理论的正确性。


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