七自由度機械臂動力學建模與軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、隨著空間國防技術(shù)的發(fā)展，空間機器人在太空任務中的作用越來越重要，本文圍繞空間七自由度冗余機械臂展開，研究了柔性關(guān)節(jié)機械臂遞推動力學算法、機械臂在線軌跡規(guī)劃算法和基于遺傳算法的時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃三個問題。
　　對于多自由度復雜機械臂系統(tǒng)，自由度的增加導致其動力學方程的計算量增大，難以用于實時控制，以此為出發(fā)點，研究了高效的且可用于實時控制的柔性關(guān)節(jié)機械臂遞推動力學算法。為了提高算法的通用性，采用改進的DH參數(shù)描述機器人，為了提高編程和

2、計算效率，采用旋量描述運動和動力學參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，建立了機械臂的動力學模型，其中正向動力學研究了鉸接體算法和組合體慣量法，逆向動力學通過牛頓—歐拉算法實現(xiàn)。建立了柔性關(guān)節(jié)模型，將多剛體動力學的鉸接體算法應用于柔性關(guān)節(jié)機械臂，提出了柔性關(guān)節(jié)的鉸接體動力學算法，對算法進行了數(shù)值仿真，與SimMec ha nics結(jié)果對比驗證了算法的正確性，并且具有較好的實時性和通用性。
　　機械臂在執(zhí)行各種任務之前必須對其進行軌跡規(guī)劃，對于連續(xù)軌跡

3、任務需要在笛卡爾空間進行規(guī)劃，為了將笛卡爾空間的位姿轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間，建立了速度級的冗余機械臂的逆運動學方程，由于采用偽逆法求解時機械臂在奇異構(gòu)型附近關(guān)節(jié)力矩過大實際無法實現(xiàn)，本文采用阻尼最小二乘法通過犧牲末端精度來實現(xiàn)奇異回避，求出其奇異魯棒性逆解，并利用其冗余特性在速度零空間對避奇異指標進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了機械臂在笛卡爾空間的直線和圓弧運動，通過 S imulink仿真驗證了軌跡規(guī)劃過程以及避奇異效果的有效性。
　　為了提高機械臂

4、執(zhí)行任務的效率，本文在B樣條規(guī)劃的基礎(chǔ)上對其進行了時間優(yōu)化，同時，在考慮關(guān)節(jié)角速度和角加速度為約束條件基礎(chǔ)上，加入了關(guān)節(jié)力矩約束。由于遺傳算法具有全局搜索能力且計算效率較高的優(yōu)點，本文采用遺傳算法對軌跡進行了優(yōu)化，對比優(yōu)化前后的軌跡，結(jié)果表明優(yōu)化后的軌跡在滿足約束條件的前提下可以提高機械臂執(zhí)行任務的效率。
　　為了實現(xiàn)對所研究算法的可視化仿真，編寫了基于Open Inventor的動力學和軌跡規(guī)劃仿真軟件，該軟件具有較好通用性和移