六自由度串联机器人运动仿真研究

论文摘要

近二十年来,机器人技术发展非常迅速,各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。但我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距,因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是很有现实意义的。在工业机器人的实际应用中,串联机器人应用最为普遍,已经广泛的应用于生产中的机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配等作业。所以机器人的工作效率和质量是衡量机器人性能的重要指标,提高工业机器人的工作效率,减小实际操作中的误差成为工业机器人应用中亟需解决的关键性问题。在满足各种约束的条件下优化机器人的运动轨迹,使机器人手部在两点之间或沿着规定轨迹运动的时间最短,进行这项研究的目的和实际意义在于提高工业机器人的工作效率。在串联机器人的研究和设计过程中,运动学系统的分析是关键技术,如运动学方程的正解、运动学方程的反解。本文在坐标变换理论的基础之上,对6自由度串联机器人的运动系统作了较深入的分析与研究,建立了坐标变换矩阵,推算出了运动方程的正、逆解的求解公式,得到了关节末端坐标,各关节角和姿态角的求解公式。这些工作为6自由度串联式机器人运动学分析提供了理论依据。最后用Matlab软件中新推出不久的运动学仿真模块SimMechinics结合simulink模块进行了6自由度串联机器人的运动学三维图形仿真,并把仿真模型中得到的运动数据和理论计算得出的数据进行比较,验证了仿真模型,为以后串联机器人的运动学研究和轨迹规划提供了一个直观有效的环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人的产生和发展
• 1.3 机器人定义、结构和分类
• 1.3.1 机器人的定义
• 1.3.2 机器人系统结构
• 1.3.3 机器人的自由度
• 1.3.4 机器人的分类
• 1.4 机械手发展动向
• 1.5 国内外机器人的发展状况及发展战略
• 1.6 课题研究的目的、意义及主要研究内容
• 第2章 串联机械人数理基础
• 2.1 引言
• 2.2 位置和姿态的表示
• 2.2.1 位置描述
• 2.2.2 方位的描述
• 2.2.3 位姿描述
• 2.3 坐标变换
• 2.3.1 平移坐标变换
• 2.3.2 旋转坐标变换
• 2.3.3 复合坐标变换
• 2.4 齐次坐标变换
• 2.4.1 齐次变换
• 2.4.2 平移齐次坐标变换
• 2.4.3 旋转齐次坐标变换
• 2.5 通用旋转变换公式
• 2.6 串联机器人运动学
• 2.6.1 串联机器人运动方程的表示
• 2.6.2 运动姿态和方向角
• 2.6.3 连杆变换矩阵及其乘积
• 2.6.4 广义变换矩阵
• 2.6.5 用 A 矩阵表示 T 矩阵
• 2.6.6 运动学方程正解
• 2.6.7 运动方程的逆解
• 2.7 工作空间的分析
• 2.7.1 工作空间的概念
• 2.7.2 工作空间的形成
• 2.7.3 工作空间中的空腔和空洞
• 2.7.4 理想工作空间的包络面方程
• 2.7.5 实际工作空间的分析
• 2.8 机器人的动态特性
• 2.9 本章小结
• 第3章 6-DOF 串联机器人运动学方程求解
• 3.1 引言
• 3.2 机械人运动方程求解
• 3.3 6-DOF 串联机器人运动分析
• 3.4 欧拉变换解
• 3.4.1 基本隐式方程的解
• 3.4.2 用显式方程求各角度
• 3.5 机器人运动学方程求解
• 3.5.1 求解末端机械手坐标
• 3.5.2 求解各关节角度
• 3.6 本章小结
• 第4章 6-DOF 串联机器人三维图形仿真系统
• 4.1 引言
• 4.2 仿真原理
• 4.3 仿真软件环境介绍
• 4.4 机器人仿真模型的建立
• 4.4.1 机器人仿真模型坐标的验证
• 4.4.2 机器人仿真模型姿态的验证
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介