重载冗余机械臂运动学力学分析及其路径规划.pdf

- 国内图书分类号: 学校代码: 10213 国际图书分类号: 密级:公开工学硕士学位论文重载冗余机械臂运动学力学分析及路径规划硕士研究生: 张莉导师: 索来春副教授申请学位: 工学硕士学科: 机械电子工程所在单位: 机电工程学院答辩日期: 2014 年 7 月授予学位单位: 哈尔滨工业大学万方数据- Classified Index: TP242 : Dissertation for the Master Degree in Engineering KINEMATICS MECHANICAL ANALYSIS AND PATH PLANNING OF THE HEAVY-LOAD REDUNDANT MANIPULATOR Candidate : Zhang Li Supervisor : Associate Prof. Suo Laichun Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Mechatronics Engineering Affiliation : School of Mechatro nics Engineering Date of Defence : July, 2014 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- I - 摘要核聚变能作为一种资源无限、清洁安全的新能源是当今世界解决能源问题的最主要出路,随着国际热核聚变实验反应堆计划的实施,应用于核聚变环境下的机器人成为了各国的研究热点。本文综合分析了该类机器人所应具备的重载能力强、运动空间大、运动灵活和遥操作控制等特点,并以此为基础,展开对应用于“托卡马克”核聚变反应堆中重载冗余机械臂系统的研究,主要完成机械臂的运动学分析、力学分析和路径规划,机械臂的交互系统建立以及机械臂的离线仿真和样机实验研究。首先,对重载冗余机械臂进行运动学分析。在对大尺度重载维护机械臂遥操作系统进行整体分析的基础上,运用 D-H 参数法建立重载冗余机械臂的运动学模型,完成其正运动学分析,并针对重载冗余机械臂冗余多解的特点,综合考虑其真空室环形腔的工作环境,采用避障优化的梯度投影法推导机械臂的逆运动学方程,完成重载冗余机械臂的完整运动学分析。其次,对重载冗余机械臂进行力学分析。运用 ANSYS Workbench 完成重载冗余机械臂的静力和模态分析,通过结果验证机械臂结构设计的合理性,并为进一步的抑振控制和结构改良提供了理论基础。同时,利用拉格朗日方程法建立机械臂的动力学方程, 求取机械臂各关节力矩的通解公式,并基于该公式完成对机械臂末端匀速圆弧运动的动力学分析,并在 ADAMS 虚拟环境中对该运动进行仿真,将结果进行对比,验证公式推导的正确性和机械臂运动的可行性。另外,对重载冗余机械臂进行路径规划。通过对重载冗余机械臂在真空室内完整运动的分析,将运动分为两个阶段,针对不同阶段的运动特点,分别采用 RRT 算法完成无碰撞路径规划和基于避障优化的梯度投影法完成圆弧路径规划,从而完成了机械臂的完整路径规划,并通过 MATLAB 对两种路径规划结果进行仿真分析,验证规划的可行性。最后,搭建重载冗余机械臂的交互系统,完成机械臂运动的离线仿真和样机实验,验证机械臂运动分析及轨迹规划的可行性,同时,验证机械臂结构设计的合理性。另外,该系统是实现完整的大尺度重载维护机械臂遥操作系统的一个基础平台。关键词:机械臂;冗余;运动学; 路径规划;交互系统万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- II - Abstract As a kind of unlimited, clean and safe ne w energy, fusion energy is the world's most important way to solve the energy pr oblem. With the im plementation of the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) program, many countries have focused on the research of the robots used in nuclear fusion environment. In this paper, based on the an a