七自由度机械臂动力学建模与轨迹规划研究

《七自由度机械臂动力学建模与轨迹规划研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文七自由度机械臂动力学建模与轨迹规划研究RESEARCHONDYNAMICSMODELINGANDTRAJECTORYPLANNINGOF7-DOFREDUNDANTMANIPULATORS宋少华哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP244.2学校代码：10213国际图书分类号：681.568.74密级：公开工学硕士学位论文七自由度机械臂动力学建模与轨迹规划研究硕士研究生：宋少华导师：金明河教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP244.2U.D.C:

2、681.568.74DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDYNAMICSMODELINGANDTRAJECTORYPLANNINGOF7-DOFREDUNDANTMANIPULATORSCandidate：SongShaohuaSupervisor：Prof.JinMingheAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeri

3、ngDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着空间国防技术的发展，空间机器人在太空任务中的作用越来越重要，本文围绕空间七自由度冗余机械臂展开，研究了柔性关节机械臂递推动力学算法、机械臂在线轨迹规划算法和基于遗传算法的时间最优轨迹规划三个问题。对于多自由度复杂机械臂系统，自由度的增加导致其动力学方程的计算量增大，难以用于实时控制，以此为出发点，研究了高效的且可用于实时控制的柔性关节机械臂递推动力学算法。为了提高算法的通用性，

4、采用改进的DH参数描述机器人，为了提高编程和计算效率，采用旋量描述运动和动力学参数，以此为基础，建立了机械臂的动力学模型，其中正向动力学研究了铰接体算法和组合体惯量法，逆向动力学通过牛顿—欧拉算法实现。建立了柔性关节模型，将多刚体动力学的铰接体算法应用于柔性关节机械臂，提出了柔性关节的铰接体动力学算法，对算法进行了数值仿真，与SimMechanics结果对比验证了算法的正确性，并且具有较好的实时性和通用性。机械臂在执行各种任务之前必须对其进行轨迹规划，对于连续轨迹任务需要在笛卡尔空间进行规划，为了将笛卡尔空间的位姿转换到关节空间，建立了速度级的冗余机械臂的逆运动学方程，由于采

5、用伪逆法求解时机械臂在奇异构型附近关节力矩过大实际无法实现，本文采用阻尼最小二乘法通过牺牲末端精度来实现奇异回避，求出其奇异鲁棒性逆解，并利用其冗余特性在速度零空间对避奇异指标进行了优化，实现了机械臂在笛卡尔空间的直线和圆弧运动，通过Simulink仿真验证了轨迹规划过程以及避奇异效果的有效性。为了提高机械臂执行任务的效率，本文在B样条规划的基础上对其进行了时间优化，同时，在考虑关节角速度和角加速度为约束条件基础上，加入了关节力矩约束。由于遗传算法具有全局搜索能力且计算效率较高的优点，本文采用遗传算法对轨迹进行了优化，对比优化前后的轨迹，结果表明优化后的轨迹在满足约束条件的前

6、提下可以提高机械臂执行任务的效率。为了实现对所研究算法的可视化仿真，编写了基于OpenInventor的动力学和轨迹规划仿真软件，该软件具有较好通用性和移植性，适用于一般的机械臂系统；最后进行了机械臂的地面实验，实验结果验证了轨迹算法和优化方法的正确性。关键词：柔性关节机械臂动力学；轨迹规划；遗传算法；可视化仿真-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofspacedefensetechnology,theroleofspacerobotsinspacemissionsismoreandmoreimportant.Thispap

7、erresearchedthreeissuesaboutseven-freedomspaceredundancymanipulator,whichareflexiblejointmanipulatordynamicsrecursivealgorithm,onlinetrajectoryplanningalgorithmandtimeoptimaltrajectoryplanningbasedongeneticalgorithms.Forcomplexmulti-DOFmanipulatorsystem,