线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究

doi:3798ECBC52B9E778AEE1D23ED983EC4E

	线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究
	赵智远
学位类型	硕士
导师	徐振邦
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	连续型机器人线驱动运动学工作空间运动规划
摘要	在人类对太空的探索过程中,空间机械臂扮演着越来越重要的角色。但是,随着空间在轨任务的多样化以及作业环境的复杂化,狭小空间环境中的作业任务越来越多,传统的空间机械臂由于自身结构的限制难以胜任这些任务。因此,具有优良的弯曲性能和对复杂环境特征适应性的连续型机械臂成为了一个重要的选择。本文以狭小空间环境中作业为应用背景,开展了针对线驱动的连续型机械臂的研究工作。首先,在详细分析了狭小空间环境中作业机械臂功能需求的基础上,仿照章鱼触手的结构特征和运动机理,设计了线驱动连续型机械臂的机械系统,并且研制了实物样机。为了实现机械臂对目标物体的抓取功能,研究了一种对目标物体特性免疫的末端柔性抓取机构,对其机械结构进行了设计。其次,根据线驱动连续型机械臂的运动特点,提出了运动学假设条件。在此基础之上,详细分析了机械臂的驱动空间、关节空间和操作空间三者之间的关系,对这三种空间映射关系的分析即机械臂的正、逆运动学分析。在分析机械臂多关节段的正、逆向运动学时,分别提出了多关节段运动学的解耦算法和求取逆运动学解的数值算法。在MATLAB环境中进行了仿真实验,实验结果验证了所提算法的有效性与可行性。然后,针对传统的蒙特卡洛法求解机器人可达工作空间时精确度不够的问题,提出了一种改进的蒙特卡洛法。针对采用改进的蒙特卡洛法得到的工作空间,提出了一种体元化算法求取工作空间的体积。为了验证所提算法的有效性和实用性,以九自由度的超冗余串联机械臂为例,进行仿真分析。结果表明:采样点数量相同时,改进的蒙特卡洛法求得的工作空间边界光滑,“噪声小”;得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%;设计的体积求取算法效率较高,相对误差小于1%。接着,采用归一化可操作度指标分析机器人运动的灵活性,通过数值仿真的方法得到了最大可操作度值与关节角组合数量之间的关系,进而求得最大可操作度的值。分析了评价机器人整体灵活性的指标,得到了表达灵活工作空间的方法,提出了求取灵活工作空间的算法。在此基础之上,仿真分析了线驱动连续型机械臂的可达工作空间与灵活工作空间,评价了机械臂的运动能力。最后,借鉴了贪吃蛇游戏中相关算法原理,提出了基于“头部牵引”思想的运动规划算法,通过对平面路径和空间路径的跟随仿真实验,验证了所提算法的有效性与可行性。为了验证线驱动连续型机械臂具有在狭小空间环境中作业的能力,搭建了狭小空间环境仿真实验平台,基于工作空间分析对狭小空间环境进行了区域划分,提出了基于区域行进策略的路径规划算法。通过仿真实验,验证了所提算法的有效性与可行性。实验结果表明,线驱动连续型机械臂具有在狭小空间环境中作业的能力。
页数	128
DOI	3798ECBC52B9E778AEE1D23ED983EC4E
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63968
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	赵智远. 线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究.（5513KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文