四自由度助残机械臂的动力学性能分析

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1、分类号：密级：UDC：编号：201331204013河北工业大学硕士学位论文四自由度助残机械臂的动力学性能分析论文作者：李新月学生类别：全日制工程硕士专业学位类别：领域名称：机械工程指导教师：张顺心职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringTHEDYNAMICPERFORMANCEANALYSISOFA4-DOFROBOTICARMFORHANDICAPPEDPEOPLEByLiXinyueSupervisor:P

2、rof.ZhangShunxinMarch2016摘要随着科学技术的不断进步，社会经济的高速发展，机械臂的应用领域在不断的扩大，已经从工业领域应用到人们的日常生活当中。为了提高残障人士（特指上肢残疾）的生活质量和增强他们在日常生活中的自理能力，本课题根据实际生活环境中的使用要求，设计了一种可安装于残疾人用轮椅的四自由度助残机械臂。课题的主要研究内容如下：1.基于D-H方法建立了四自由度助残机械臂的关节坐标系，求解出了助残机械臂末端执行构件的运动学正解方程，并运用齐次坐标变换矩阵求解出运动学逆解方程。计算出助残机械臂的速度雅克比矩阵，并解出机械臂应当避免的奇异位形

3、。2.基于四自由度助残机械臂的运动学逆解对应有多组关节变量值的特点，给定该机构的运动轨迹，求解出机械臂各个关节的运动参数，为该机械臂进行静力学、运动学以及动力学的分析研究做好准备。采取蒙特卡洛概率算法，分析求解助残机械臂的工作空间，并在MATLAB中输出机械臂的工作空间图。3.采取拉格朗日方程法建立四自由度助残机械臂的动力学数学模型，并且结合MATLAB以及ADAMS求解助残机械臂的惯性矩阵和关节力矩。4.利用ADAMS对助残机械臂进行运动学和动力学的仿真。应用三维绘图软件SolidWorks建立助残机械臂的整体几何模型，并将此模型导入到ADAMS中。以一定运动

4、轨迹下各关节的速度函数作为各关节的驱动，通过仿真观察到机械臂的运动情况。利用ADAMS的测量功能测得助残机械臂的各种运动特性参数，如关节位移、速度、加速度、驱动力矩等，从而为各关节驱动电机的选择提供依据。本文对助残机械臂的运动学和动力学性能进行了初步研究，保证了助残机械臂在日常生活中能较好地满足残疾人的需求，并且为后续的智能助残机器人系统的研究提供了支持。关键词：助残机械臂运动学动力学ADAMSIABSTRACTWiththeprogressofscienceandtechnology,thedevelopmentofsocialeconomy,themanip

5、ulatorapplicationsareexpandingfromtheindustrialapplicationstodailylife.Inordertoimprovedisabled´s(specifiedupperlimbdisability)lifequalityandtoenhancetheirself-careabilityindailylife,accordingtotherequirementsofreallifeenvironment.Thispaperdesignsakindofmechanicalarmwithfourdegrees,w

6、hichcanbefittedtothedisabledwheelchair.Themainresearchcontentsofareasfollows:1.BasedonD-Hmethodtoestablishtheassistiveroboticarmjointcoordinatesystem,workedouttheendofthemechanicalarmbyperformingkinematicsequation,andhomogeneoustransformationmatrixtosolvetheinversekinematicequations.

7、CalculatedthedisabledmanipulatorJacobianmatrixandsolvedthesingularconfigurationofmchanicalarm,howeversingularconfigurationshouldbeavoided.2.Basedonthekinematicsofthefourdegreeoffreedomandassistiveroboticarminversesolutioncorrespondingtothepluralityofjointvariablesandgiventrajectory,s

8、olvingforeac