基于移動平臺的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計.pdf

1、基于移動平臺的機械臂系統(tǒng)具有靈活度高、適應性廣、功耗低等特性，被廣泛應用于災難搜救、城市反恐、宇宙空間探索等領域，已成為二十一世紀機器人發(fā)展的重點方向。本論文結(jié)合基于移動平臺的機械臂結(jié)構(gòu)特點，以機械臂運動學和動力學理論研究為基礎，以機械臂工作空間和運行功耗為分析對象，以可操作度和轉(zhuǎn)動慣量為評價依據(jù)，提出了一種對機械臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計的方案，以實現(xiàn)增加機械臂工作空間靈活度和降低機械臂運行功耗的目的。論文的主要研究工作如下：
　　

2、 (1)提出基于移動平臺的機械臂結(jié)構(gòu)設計方案。針對移動平臺的結(jié)構(gòu)特點和機械臂的功能需求，確定機械臂結(jié)構(gòu)設計指標，選擇機械臂構(gòu)型，分析該結(jié)構(gòu)設計方案的關節(jié)數(shù)、關節(jié)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動類型，提出設計方案，并開發(fā)出樣機。
　　 (2)基于工作空間的機械臂連桿尺寸優(yōu)化設計。以機械臂運動學理論方法為基礎，在D-H坐標系中為機械臂建立數(shù)學模型，通過采樣分析法對機械臂運動學正、逆解進行驗證，以證明數(shù)學模型的可靠性。通過MATLAB仿真軟件，分析機械臂各

3、部分結(jié)構(gòu)對其工作空間的影響趨勢，確定機械臂工作空間影響因子，最后提出以機械臂可操作度為評價依據(jù)的求解方法。
　　 (3)研究降低機械臂功耗的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。運用動能定理等相關理論分析機械臂結(jié)構(gòu)與其功耗的關系，確定以機械臂轉(zhuǎn)動慣量的研究對象；然后針對機械臂多軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特性，運用慣性張量的方法求解機械臂的實時轉(zhuǎn)動慣量；最后運用仿真分析軟件分析機械臂連桿尺寸與機械臂功耗的相對關系，獲得機械臂結(jié)構(gòu)對降低其功耗的依據(jù)。
　　

4、(4)依據(jù)機械臂工作空間和能量消耗與結(jié)構(gòu)設計的關系，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法并進行仿真。分析機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在增加機械臂工作空間靈活性和降低運行功耗兩者間的關系與矛盾，運用倍數(shù)環(huán)比法對可操作度與轉(zhuǎn)動慣量進行權(quán)重設計，提出綜合兩者的優(yōu)化設計方法，并通過MATLAB仿真實驗分析驗證分析結(jié)果。
　　 論文提出了結(jié)合機械臂工作空間和運行功耗雙相指標對機械臂的連桿尺寸分布進行優(yōu)化設計。該方案在不降低機械臂功能的條件下，增強了機械臂的操作靈活