串联多关节机械臂设计与分析

论文摘要

随着机器人技术的不断发展,为了能更好地与环境进行交互、操纵物体、完成任务,对机械臂的结构设计提出了更高的指标,要求高的负载自重比,操作更加灵活,强稳定性和安全性等。对机器人做动力学分析的主要目的有两个:其一是用于优化控制,通过引入基于机器人动力学特性的控制规律,改善机器人控制的动态和静态品质,实现更精细的轨迹跟踪;其二是用于优化结构,一个合理设计的机器人系统应该具有尽可能轻的非线性耦合性和采用恰如其分的驱动力。本文的任务是完成上述目标的基础性部分,即设计一种串联多关节机械臂,对机械臂的静力学、运动学、动力学等进行分析,优化机械臂的静态与动态特性。本文首先简单介绍串联多关节机械臂的原理,而后详细的阐述了机械臂的机械结构。为验证机械臂结构设计的合理性,我们利用CAE软件对关键部件进行了静力学分析。在初步设计的基础上,对机械臂的运动学、动力学进行了研究,推导了机械臂的运动学方程,推导了机械臂刚体模型的拉格朗日动力学方程。用ADAMS软件进行动态仿真,分析机械臂运动过程中的受力情况,为机械臂结构的优化提供数据。此外,本文还研究了机械臂关节的柔性问题。分析了机械臂关节的柔性特性,讨论了在ADAMS中柔性关节的表示方法,分析了柔性关节机械臂的动力学特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 串联多关节机器人
• 1.2.2 机器人动力学建模方法
• 1.2.3 柔性关节机器人动力学建模
• 1.2.4 机械系统动力学仿真
• 1.3 本文研究的内容
• 2 串联多关节机械臂结构设计
• 2.1 串联多关节机械臂系统组成
• 2.2 机械臂关节结构设计
• 2.2.1 总体结构
• 2.2.2 扭转（Twist）关节
• 2.2.3 弯曲（Pivot）关节
• 2.3 关键部件强度校核
• 2.4 本章小结
• 3 串联多关节机械臂运动学分析
• 3.1 机械臂的连杆坐标系
• 3.2 机械臂运动学方程
• 3.3 机械臂的雅可比矩阵
• 3.4 本章小结
• 4 串联多关节机械臂刚体模型动力学分析
• 4.1 机器人动力学
• 4.2 串联多关节机械臂刚体模型动力学方程
• 4.2.1 机械臂零部件等效化惯量 I a
• ij项计算'>4.2.2 机械臂动力学方程惯量矩阵 D_ij项计算
• 4.2.3 向心力系数与哥氏力系数计算
• 4.2.4 重力项的计算
• 4.2.5 动力学方程
• 4.3 基于 ADAMS 的动力学仿真分析
• 4.3.1 模型建立与导入
• 4.3.2 仿真实例
• 4.3.3 动力学仿真分析
• 4.4 本章小结
• 5 机械臂关节柔性模型动力学分析
• 5.1 关节的柔性特性及表示
• 5.1.1 谐波减速器的扭转刚度
• 5.1.2 柔性关节的表示
• 5.2 柔性关节机械臂动力学仿真分析
• 5.2.1 工作流程
• 5.2.2 仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 齐次变换矩阵的一阶偏导和二阶偏导
• 附录2 向心力系数与哥氏力系数的计算