三分支機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)特性分析.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展，人們探索大自然的能力越來(lái)越強(qiáng)，已經(jīng)從對(duì)地球的探索上升為對(duì)太空的探索。眾所周知，太空環(huán)境十分惡劣，不適合人類生存，因此，空間機(jī)器人的研究勢(shì)在必行?？臻g機(jī)器人由于工作的環(huán)境與地面機(jī)器人工作的環(huán)境不同，因此，空間機(jī)器人不但在組成材料和控制器件上不同于地面機(jī)器人，而且在結(jié)構(gòu)上也與地面機(jī)器人有差別。在太空中，任何物體處于微重力環(huán)境，機(jī)器人對(duì)任何物體操作時(shí)，都需要有其它機(jī)器人使物體固定，因此，多個(gè)機(jī)器人聯(lián)合作業(yè)是空間機(jī)器

2、人的重要特征之一。由于機(jī)器人從地面發(fā)射到太空，發(fā)射費(fèi)用昂貴，為減輕機(jī)器人的重量，多機(jī)器人轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾种C(jī)器人?？臻g機(jī)器入主要是代替宇航員雙臂和宇航員的腿，完成某些任務(wù)，因此，多分支機(jī)器人簡(jiǎn)單形式是三分支機(jī)器人。 空間機(jī)器人需要在兩個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行工作，一個(gè)是載體坐標(biāo)系，另一個(gè)是慣性坐標(biāo)系。在載體坐標(biāo)系下工作，主要是操作與載體固連的儀器設(shè)備，與地面機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式相同。在慣性坐標(biāo)系下工作，主要是對(duì)空間漂浮物體進(jìn)行操作，需要考慮載體運(yùn)動(dòng)

3、對(duì)軌跡規(guī)劃的影響。針對(duì)空間機(jī)器人的工作特點(diǎn)，論文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。 1.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析：分析了三分支機(jī)器人與其它機(jī)器人建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的差別，對(duì)于三分支機(jī)器人，采用分離系數(shù)的方法，從不同分支組合出發(fā)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。機(jī)器人各個(gè)連桿在空間描述為一個(gè)矢量，連桿的軸線方向可以由連桿端點(diǎn)的位置表示，如果機(jī)器人各個(gè)連桿在空間的位置確定，再結(jié)合機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量，進(jìn)而求得關(guān)節(jié)的速度和加速度。 2.機(jī)器人

4、避障分析：障礙物躲避的規(guī)劃就是確定出機(jī)器人連桿端點(diǎn)坐標(biāo)值，使機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人的連桿不與障礙物相碰。論文對(duì)三分支機(jī)器人在空間中的位置通過(guò)機(jī)器人連桿的端點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)描述，應(yīng)用連桿端點(diǎn)位置建立方程，并直接得到機(jī)器人連桿端點(diǎn)的位置，再求得機(jī)器人連桿與障礙物的距離函數(shù)，應(yīng)用梯度法來(lái)增加機(jī)器人與障礙物之間的距離。如果無(wú)法避開(kāi)時(shí)，距離函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣群瘮?shù)，以速度函數(shù)影響機(jī)器人末端軌跡，從而達(dá)到避障的目的。 3.機(jī)器人靈活性分析：機(jī)器人

5、的靈活性用機(jī)械手速度比橢球來(lái)描述的，橢球的長(zhǎng)軸與短軸之比越接近1，靈活性就越好。論文根據(jù)速度比橢球的長(zhǎng)軸和短軸，構(gòu)造兩個(gè)矢量，提出一種矢量逼近方法改善機(jī)器人的靈活性。 4.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析：對(duì)三分支機(jī)器人的不同分支組合建立動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)不同分支分離動(dòng)力學(xué)方程系數(shù)，重新構(gòu)成三分支機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，并利用最優(yōu)化理論中的乘子罰函數(shù)算法對(duì)三分支機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行了優(yōu)化。 5.空間自由漂浮機(jī)器人：空間自由漂浮機(jī)器人主要是在

6、艙內(nèi)捕獲物體，在微重力的環(huán)境下機(jī)器人的基座和艙體相對(duì)于捕獲目標(biāo)在空中做自由漂浮運(yùn)動(dòng)，對(duì)自由漂浮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模通常采用虛擬操作臂和動(dòng)量守恒的方法，虛擬操作臂方法是在線動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上提出的，為了使機(jī)器人能夠安全平穩(wěn)地工作，本文針對(duì)我們研制的空間6R機(jī)器人應(yīng)用動(dòng)量守恒方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。在太空中，微處理器的運(yùn)算速度很慢，為了滿足控制實(shí)時(shí)性的要求，采用手眼相機(jī)與位置逆解相結(jié)合的方法對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，并在實(shí)驗(yàn)板上調(diào)試通過(guò)，滿足系統(tǒng)控制

7、要求。 6.機(jī)器人仿真系統(tǒng)建立及實(shí)驗(yàn)：機(jī)器人仿真系統(tǒng)是加快促進(jìn)機(jī)器人研究的一種有效途徑，本文應(yīng)用基于VC環(huán)境下的OpenGL建立機(jī)器人的仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)中可以設(shè)定多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，機(jī)器人沿著關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。仿真系統(tǒng)不但能夠仿真地面環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，也能夠仿真太空中機(jī)器人的自由漂浮運(yùn)動(dòng)。另外，論文利用Powercube機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的靈活性和三分支機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 綜上所述，論文建立了三分支機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)