吴鹏[1]2004年在《非完整机械手的设计与运动模拟分析》文中研究指明非完整系统的运动约束不可积，因而具有可用较少的控制输入数确定其比控制输入空间维数大的位形空间内的运动。在本文尝试利用机械手的这一性质，设计具有非完整特性的机械手，以解决机械手设计过程中的驱动单元问题。 本文分析了一种摩擦圆盘传动机构的运动原理，证明了该结构的为非完整机构的条件，并总结出该结构的实际上为我们可以认为非完整传动机构实质上就是一种变传动的变速机构。而后，以摩擦原盘机构为传动机构，完成了机械手的设计。在对机械手原理图进行分析的基础上，得到了该机械手的运动方程，并完成了链式变换，结果显示该机械手为单链系统。由于单链系统是全局可控的。从而间接的证明了该机械手的可控性。 本文的另一重点是机械手的3D模型的建立和控制算法的模拟。在介绍了软件中机械系统的拓扑结构和坐标变换的方法后，在Pro／E中建立了机械手的3D模型；解决了模型建立过程中的零件模型的简化、零件的装配、摩擦圆盘机构的理想化、模型中电动机的转动方向等问题。模型的建立为机械手的路径规划和控制提供验证平台，而后用该模型对控制算法进行了模拟。在模拟过程中，发现了机械手的运动存在较为严重的干涉问题。经分析后发现主要是由于采用的控制方法是最小时间控制，造成了机械手各关节的角位移太大，从而产生了干涉。
谭跃刚[2]2005年在《基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究》文中提出随着机器人技术的发展和广泛的应用,对机器人的精细作业和在各种环境下的灵活控制的要求越来越高,使得机器人机械本体的复杂性与运动控制的有效性显得越来越突出。在机器人控制技术迅速发展的今天,人们更加清楚地认识到:机器人的机械本体必须与控制系统紧密地结合为一个整体才能充分发挥出应有的性能和功能。因此,积极主动地探索机器人机构学与控制理论的融合具有重要的意义。 本学位论文在中国科学院机器人学重点实验室的支持下,为探索和研究非完整系统理论与非线性控制原理的融合方式,以建立非完整欠驱动机械手及其运动控制方法为目标,进行了大量的调研和研究工作,并在已有非完整控制系统研究成果和全面分析国内外非完整机器人系统研究现状的基础上,对非完整机械手及其关键技术进行了深入地研究和开发。 非完整系统具有许多的特点,在对非完整系统进行全面深入分析研究的基础上,结合非完整链式系统的转换关系,分析证明了可变换为链式系统的机械系统是可控非完整系统。由此,基于圆盘在平面上滚动的非完整性,提出了一种可控的新型非完整运动传递机构——摩擦圆盘运动分解合成机构,该运动传递机构通过转盘与圆盘相对位形的改变,可有效实现运动传动比的连续控制,其传动比的变化遵循叁角函数的关系。 利用建立的可控非完整运动传递机构与非完整运动规划原理的结合,提出了二种新型可控的非完整欠驱动机械手——开链式非完整机械手和并链式非完整机械手,并给出了这二种机械手的理论设计,分析研究了它们的非完整性、运动特性,证明了在输入控制数小于其位形空间维数的情况下的运动可控性,并给出了将其转换为链式系统的条件和方法。 基于链式系统的时间多项式输入控制和叁角函数输入控制的方法,给出了非完整机械手的运动规划算法,并分析研究了基于这二种输入控制作用下的运动特性,揭示了开链式非完整机械手和并联式非完整机械手的控制特点和运动的不同性质。
崔根群[3]2007年在《用于危险品检测的移动机械手的运动性能分析及其控制》文中提出由于化学危险品泄漏的危害性,各类化学反应容器和输送管道的泄漏检测与维修已经成为石化工业安全生产、预防重大事故发生所关注的问题。在危险环境中,具有自主能力的移动机械手便成为代替和辅助人类完成一定任务的最佳选择。本文在国家863计划项目“化学危险反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”(项目编号:2003AA421040)的支持下,针对所研制的P3-AT型移动机械手进行了运动学、动力学分析,采用人工神经网络研究了移动机械手的运动控制技术。主要的研究内容与创新如下:1、描述了所设计的P3-AT型移动机械手的基本结构特征,分析了五自由度机械手和两自由度轮式移动载体(平台)的运动特点。分别建立了移动载体子系统、机械手子系统以及移动机械手系统整体的运动学模型,进行了正、逆运动学分析。在ADAMS分析软件中建立了机械手的虚拟样机,分析了机械手的工作空间和特殊工作位置,得到了机械手实际应用中的有效工作区域。2、根据移动机械手系统的复杂性,提出了运动规划策略,构建了简化的移动机械手系统结构模型,利用牛顿——欧拉方法推导了简化移动机械手系统的动力学模型。通过仿真分析了移动平台与机械手间的动力耦合作用,仿真表明移动平台的加速度值愈大,其对机械手关节负载力矩的影响愈大,并影响移动机械手的轨迹跟踪和定位精度。建立了移动平台子系统、机械手子系统的动力学理论模型,并对各子系统的动力学进行仿真分析,得到了机械手各关节转矩与位姿的关系和机械手几个较危险位姿;对于移动平台,通过控制其左右前轮的驱动力矩,可以实现移动平台按给定的轨迹运动,同时也能实现移动平台方向角的改变。3、提出了基于神经网络的移动机械手的分层递阶智能控制策略,采用叁层控制实现移动机械手的部分或完全自主控制。决策层进行任务规划;处理层包括两个径向基函数(RBF)神经网络子控制器,分别对移动载体和机械手的动力学进行控制和补偿;执行层依据处理层输出的信息来独立控制各驱动电机,实现所需的运动。RBF神经网络子控制器应用李雅普诺夫稳定性设计方法,通过分别建立移动载体、机械手和移动机械手系统的李雅普诺夫方程,由第二类李雅普诺夫方法建立了移动载体和机械手的动力学补偿,并应用Matlab对所建立的RBF网络进行训练仿真,仿真结果表明了RBF神经网络的有效性和可靠性。4、针对移动机械手硬件体系结构进行了设计,其中包括移动载体、五自由度机械手,视觉CCD传感器和超声传感器模块等。介绍了移动机械手的控制软件设计,包括PMAC上运行的运动程序和移动载体PC上运行的主控程序。应用Matlab编程软件对五自由度机械手的运动及控制进行了仿真,验证了机械手操作的运动准确性。并在实验环境下对移动机械手系统进行了实验,验证了移动机械手运动的准确性及控制的有效性和可靠性。
王玉平[4]2008年在《一种叁维空间的可控欠驱动机械手的研究》文中研究说明随着机器人技术的发展和广泛的应用,对机器人的精细作业和在各种环境下的灵活控制的要求越来越高,使得机器人机械本体的复杂性与运动控制的有效性显得越来越突出。当前在非完整领域的研究主要集中在非完整力学和非完整系统的运动规划上,并且都是针对已有的非完整系统。而对于非完整机械手系统的研究也局限在其运动学和运动规划上,而要实现此类机械手控制的稳定性和精确性,则必须研究其动力学特性。本文在现有的非完整约束理论、机器人机构学与控制理论,以及实验室开发的二维多关节机械手的基础上。将摩擦圆盘运动分解机构应用到多关节机械手臂上,设计了一种叁维欠驱动机械手,证明了该机械手具有非完整性和可控性,本文分别计算出了该机械手的运动学和动力学模型,对其运动学特性进行了深入的分析。利用拉格朗日动力学方程,对多关节非完整机械手进行了动力学建模,推导出了此机械手的动力学模型。利用绘图软件Solidworks绘制了零件图和整体装配图。最后利用动力学软件ADAMS对摩擦传动模型和多关节机械手进行了仿真分析。通过对所设计的机械手的运动学与动力学分析,发现了机械手设计过程中出现的问题,并提出相应的解决方案。对机械手运动学方程和动力学方程的研究,表明了非完整多关节机械手的动力学模型和一般机器人动力学模型具有相似性,因此我们可以利用分析一般机器人动力学特性的方法来研究非完整机械手。本学位论文的研究工作,对于非完整结构的研究与发展具有极为重要的意义。为开发航空航天机器人、特殊环境下的作业机器人和医疗机器人等提供了可以借鉴的理论和实践经验,有助于推动机器人技术的迅速发展。
梅红[5]2009年在《移动机械手的逆运动学及滑模变结构轨迹跟踪控制研究》文中研究指明移动机械手由操作手和移动平台组成,操作手安装在移动平台上。其实质就是操作手和移动机器人的组合体。这种结构大大提高了系统的操作性能,包括拥有远大于固定基机械手的工作空间和高度的运动冗余性。因此,移动机械手被广泛应用于多种场合,包括垃圾处理和太空作业等危险环境以及制造业等场合。但是,移动平台和机械手的组合也增加了系统的复杂性,使得对它的控制和规划变得更加困难,给控制带来了一系列的问题。比如,移动平台体与机械手都具有复杂的动力学模型,二者之间存在强耦合。对于轮式的移动平台来说,存在非完整约束使得传统的控制方法无法应用。因此,移动机械手系统的协调控制问题具有重要的理论意义和实用价值。文中综述了移动机械手的控制策略及控制方法,滑模变结构控制的研究历史及现状,对移动机械手的轨迹跟踪控制进行了系统的理论研究。结合移动机械手的统一动力学模型,开发出了滑模变结构轨迹跟踪控制器。全文内容主要分为以下几部分:1.提出了一种移动机械手逆运动学建模的新方法。利用神经网络逼近机器人逆运动学的输入与输出,利用蚁群算法学习神经网络。人工神经网络是目前应用最多的智能控制方法之一。它可以逼近任意的非线性函数,具有很强的学习能力,因而得到了广泛的应用。神经网络的核心是它的学习算法,它通过修正权值使得输出误差达到最小。但是,传统的BP算法存在收敛速度低、易于陷入局部最小值、对函数要求高等缺点。作为一种新兴的元启发算法,蚁群算法受到了很多关注。蚁群算法具有分布式计算、信息正反馈和启发式搜索等特征。单个个体容易收敛于局部最优,而多个个体通过合作,不容易陷入局部最优,有利于发现较好解。蚁群算法在难解的组合优化问题中表现出了强大的功能。连续问题的优化是蚁群算法的一个新的有待解决的研究领域。神经网络则是典型的连续优化问题,而且,待优化的参数往往比较多.利用蚁群算法学习神经网络,克服了传统BP算法的不足。同时,针对蚁群算法主要用于组合优化的应用特点,对基本的蚁群算法进行了改进。提出了蚁群算法学习神经网络的两种方案:(1)将局部搜索与确定性搜索嵌入到基本的蚁群算法中,将基本蚁群算法的应用范围拓展到了连续优化的范畴.(2)将离散的信息素分布矩阵及概率分布矩阵拓展为连续的信息素分布函数和概率分布函数。将搜索的范围扩展到连续区域。蚁群神经网络算法兼具了蚁群算法与神经网络的优点,而利用蚁群神经网络实现移动机械手的逆运动学建模也为机器人的逆运动学建模提供了一个新的方法,克服了机器人逆运动学建模传统算法的不足。2.利用牛顿-欧拉方法建立了轮式移动机械手的动力学方程。针对轮式移动机械手存在非完整约束的特点,采用移动平台左右两轮及各关节的转角作为广义坐标,分别建立各子构件的牛顿-欧拉动力学公式,合成为轮式移动机械手的动力学模型。在绝对坐标系中建立了轮式移动机械手各子构件的牛顿方程,在与各子构件相固连的子坐标系中分别建立其欧拉方程。3.设计了一种移动机械手的滑模变结构控制器。滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。当系统处于滑动模态的时候,它对参数变化以及干扰不敏感。而且,滑模变结构控制不需要精确的动力学模型,控制算法易于实现,非常适合于机器人控制。但是,模变结构控制也有它自身的缺陷。一方面,传统的滑模变结构控制存在一个很大的缺陷,即抖振,极大的限制了其应用;另一方面,误差的收敛速度直接影响滑模变结构控制的运动品质。因此,如何削弱滑模变结构控制所固有的抖振以及提高误差的收敛速度是滑模变结构控制所有待解决的问题。针对滑模变结构控制的收敛速度问题,提出了一种新的非线性滑模面,系统到达该滑模面上任一位置后,都能够以高于线性滑模面和终端滑模面的速度收敛到平衡点,提高了系统在滑动阶段的收敛速度:提出了一种新的双幂次趋近律,系统从任一初始状态出发后,都能够以高于指数趋近律和幂次趋近律的速度收敛到滑模面,提高了系统在到达阶段的收敛速度。同时,采用双幂次趋近律大大削弱了传统滑模变结构控制所固有的抖振。4.设计了基于新型滑模面的移动机械手的动态滑模控制。传统滑模控制方法中切换面的选取一般只依赖于系统状态,而与系统输入无关,因而,控制量是不连续的,引起系统抖振。而动态滑模控制方法在选取切换面时不仅依赖于系统状态,而且与系统输入甚至输入的一阶或高阶导数有关,不连续项的影响可有相当部分转移到控制输入的导数中去,从而获得较连续的控制输入,大大削弱了滑模控制系统的抖振。控制中采用新型滑模面,并利用指数趋近律求取控制律,在削弱抖振的同时,提高了系统的收敛速度。
谷雨明[6]2006年在《物料搬运机械手的系统分析与仿真》文中进行了进一步梳理机械手的运动学、动力学性能会直接影响到机械手的应用，因此对机械手进行运动学、动力学性能研究是很有必要的。 在机械手运动学分析方面，首先研究了本机器手的位姿描述和D—H坐标表示，然后建立了该机械手的运动学模型，分析了运动学的正问题和逆问题，尤其在逆问题的分析中不仅利用代数方法解出了关节变量的表达式，也详细介绍了数值解法，并分析了数值解法的优缺点；在手运动模型的分析基础上，研究了不同坐标系下的机械手运动方程的微分变换，求出了运动方程变换的雅可比矩阵，并对雅可比矩阵的奇异性进行了讨论。 在机械手动力学分析方面，讨论了机械手关节静反力和动反力问题，针对本文建立的机械手模型在综合考虑多种求解方法的优缺点的基础上，选择建立Kane动力学方程来进行求解计算。 本文采用机械系统动力学分析软件ADAMS建立了本5R串联关节机器手的动力学模型，分析了各关节的运动特性，讨论了在不同的外界条件下关节驱动器的力矩曲线和各关节运动关系曲线的变化，为更深入地研究机械手运动学和动力学问题，以及串联关节机器人的本体和控制器设计提供了理论基础。 本文的研究工作对串联关节型机器手的设计具有一定的指导意义。运用本文的研究方法，可以有效提高机器手的设计质量和缩短设计周期。
刘金[7]2009年在《微钻头上下料机械手的研究》文中指出机械手是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。本文以新型微钻头CNC磨制装备为应用背景,介绍了国内外机械手的研究情况,分析了上下料机械手的结构特点,对比了两种机械手结构,提出了移动机械手的总体设计方案。根据新型微钻头CNC磨制装备的需求,分析了横向水平移动机构的原理,对同步带、带传动减速机、电机、回转机构和手指进行设计计算,得出了其主要技术参数。采用叁维设计软件Pro/Engineer对上下料机械手进行了参数化建模,使模型的修改十分简便。探讨了骨架模型和自顶向下设计技术。同时对机械手进行了虚拟装配,能方便地进行干涉检查。然后将Pro/E建立的叁维模型通过接口程序Mech/Pro导入到Adams中,经过模型简化和模型转化后施加约束和设置初始参数,进行运动仿真,可分析各运动部件的位移、速度、加速度和力等相关信息。分析了机械手的位姿和运动后利用齐次变换矩阵得出上下料机械手的运动学数学模型,求解出了机械手末端的位置向量方程,探讨了运动学正问题和逆问题的求解方法。对比了几种动力学分析方法,采用凯恩方程对机械手末端执行器的动力学问题进行了分析。基于多体系统运动学理论和齐次变换矩阵,提出了一种新的运动学综合空间误差分析方法,该方法将所有误差分为6个自由度方向的误差来进行建模,减少了误差项的分析和矩阵的计算。利用该方法推导出了微钻头上下料机械手的误差模型,并采用蒙特卡罗法对该机械手进行误差仿真。仿真结果表明在制造安装过程中,应该提高靠近基部的运动部件的精度,同时应特别注意角位移误差和长行程运动部件的误差检测和控制。本文设计了一种能快速反应且具有较高精度的上下料机械手,研究了机械手的运动学、动力学性能并进行了误差分析,对微小零件上下料机械手的研制具有一定的理论意义和实际应用价值。
王妍[8]2013年在《石油井场管柱移运机械臂建模理论与实验研究》文中指出钻修井作业中,石油井场管柱移运臂是其中必不可少的重要设备,移运管柱是现场作业中操作频率很高、极需实现操作机械自动化的作业装备。此类装备具有工作范围大、环境恶劣等特点,而且其运动精度、响应速度、可控性等方面的要求越来越高。因此,开展管柱移运臂的建模理论与实验研究,对提高此类装备设计水平及提高其工作性能具有十分重要的意义。本文在充分调研分析现场工艺及国内外各种管柱移运自动化技术的基础上,提出了大臂起升式管柱移运自动化系统和用刚柔耦合系统动力学进行建模的研究思路,将机械臂作为柔性体,建立了刚柔耦合系统模型,对建模理论、系统仿真和实验问题进行了研究和分析。管柱移运系统主要由机械臂、旋转机构和机械手组成。文中介绍了管柱移运系统的总体设计方案,对典型部件的功能、工作原理及其工艺流程进行了分析。基于SolidWorks软件创建出整套系统的叁维实体模型。应用ADAMS多体建模的理论,将系统各部分简化为平面系统,进行刚性机械臂、机械手旋转机构和机械手开合机构的运动学、动力学分析;以末端带集中质量块的转动单柔性机械臂为研究对象,推导出其固有振型正交性条件,基于拉格朗日方程建立了刚柔耦合管柱移运机械臂的数值计算模型。为描述柔性机械臂的动力学行为提供必要的理论基础。应用ADAMS与ANSYS联合进行刚柔耦合系统的有限元分析,建立刚柔混合模型,对机械臂起升过程及机械手旋转、开合过程进行动力学仿真及耦合系统动态特性分析;进而进行刚柔耦合机械臂模型的数值模拟研究,考察柔性臂起升的特性,及不同起升速度、不同臂身机构和末端质量、不同尺寸管柱和驱动方式对起升特性的影响,提炼出了多体系统刚柔建模的条件及影响柔性臂振动特性的主次因素。解决了移运管柱的目标位置定位和稳定性问题。得出:柔性部件的仿真更接近于实际,对机械系统分析设计时,刚柔耦合分析的思路将更能揭示系统的本质。分析减振器与机械臂的接触碰撞模型,在各种不同的参数下,运用ADAMS软件对减振器承接机械臂过程中的接触碰撞现象进行仿真比较分析,获得所需碰撞力曲线,分析减振器刚度阻尼系数、管柱重量对接触碰撞过程的影响,得出了管柱的重量对振动特性影响不大的结论。在上述理论研究的基础上,开展管柱移运臂工作特性实验研究,将实验测得的结果与仿真结果进行对比,就实验数据与仿真数据之间的误差及其成因进行了分析,验证了系统理论模型的正确性,证明利用系统仿真技术来研究系统动态特性是可行的,仿真结果对于全面深入地掌握系统总体工作性能具有指导意义。综上所述,本研究基于ADAMS多体建模的理论,建立刚柔耦合数学模型,并通过数值模拟和实验的方法,深入研究管柱移运起升系统的柔性臂起升振动特性,结构参数和操作参数等对系统的影响规律等,可为各领域的同类机构的设计提供理论指导,同时,也可以作为同类耦合机构特性规律的基础性研究,具有重大现实意义。
刘兵[9]2005年在《移动机械手协调控制技术的研究》文中提出随着我国石化工业的发展,各类化学反应容器和输送管道的泄漏检测与维修已经成为石化工业亟待解决的关键技术。由于泄漏化学品的危害性,具有自主能力的移动机械手便成为代替、辅助人类完成高度危险性修补作业的最佳选择。同时,移动机械手在拆卸易爆、易燃物品,以及防爆、反恐等社会公共安全和军事方面也具有广泛的应用前景。本文在国家863计划项目“化学危险反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”(项目编号:2003AA421040)的支持下,对移动机械手协调控制技术进行了研究。 首先,本文论述了P3-AT型移动机械手的基本结构特征,建立五自由度机械手和轮式移动车体的子运动学模型,利用机械手逆运动学和速度分解控制方法实现了机械手和移动车体的协调控制,机械手末端执行器运动轨迹转化为机械手和车体各关节的分运动,完成了笛卡尔坐标空间到关节空间的运动变换。 其次,本文建立了机械手和轮式车体的子动力学模型,并在此基础上建立了移动机械手的动力学模型。由此确立力、质量和加速度以及力矩、惯量和角加速度之间的关系。再根据机械手末端执行器和车体的运动情况完成相应关节力矩的计算,以使它们能以期望的加速度和速度运动,保证良好的位置精度。 最后,利用人工神经网络在学习、容错等方面的特点设计了移动机械手控制器,分别对移动机械手的机械手和车体两部分的协调运动进行解耦和补偿,实现移动机械手在复杂的动态环境下的协调运动。
陈雷[10]2006年在《五自由度机械手的运动学和动力学分析》文中认为串联机械手的运动学和动力学问题一直是机器人学的一个重要分支,也始终是一个研究重点。实践中,遇到了这样的问题:随着我国石化工业的发展,各类化学反应容器和输送管道的泄漏检测与维修已经成为石化工业亟待解决的关键技术。由此,具有自主能力的移动机械手便成为辅助或代替人类完成高度危险性修补作业的最佳选择。 本文正是在国家863计划项目“化学危险反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”(项目编号:2003AA421040)的支持下,以美国ActivMedia Robotics公司生产的Pioneer 3-AT型移动机器人和本课题组自主研制的Hebut-2型机械手为研究对象,对五自由度机械手的运动学和动力学问题进行了研究。 首先,本文论述了移动机械手及其仿真分析在国内外的研究现状,介绍了机械手运动学和动力学的基础理论和Hebut-2型移动机械手的基本结构特征;以此为基础,利用UG软件建立了五自由度机械手的叁维模型,并导入ADAMS中建立了该机械手的虚拟样机。 本文对五自由度机械手进行了正运动学和逆运动学分析,推导了机械手关节速度和雅克比矩阵;同时利用ADAMS软件强大的仿真功能,对机械手进行了运动学仿真,同时在仿真中也可以实现对其运动学理论解的验证。 然后,本文仿真分析了该机械手的工作域,得到了带负载状态下它的有效工作范围。 最后,本文从理论上对机械手进行了动力学分析,由此确立力、质量和加速度以及力矩、惯量和角加速度之间的关系。再根据机械手末端执行器的运动情况完成了相应关节力矩的计算,以使它们能以期望的加速度和速度运动,保证良好的位置精度。同时也对机械手的虚拟样机进行了动力学仿真分析。另一方面,也在ANSYS软件中用有限单元法对机械手样机进行了网格划分,完成了机械手的静力学分析。
参考文献：
[1]. 非完整机械手的设计与运动模拟分析[D]. 吴鹏. 武汉理工大学. 2004
[2]. 基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究[D]. 谭跃刚. 武汉理工大学. 2005
[3]. 用于危险品检测的移动机械手的运动性能分析及其控制[D]. 崔根群. 河北工业大学. 2007
[4]. 一种叁维空间的可控欠驱动机械手的研究[D]. 王玉平. 武汉理工大学. 2008
[5]. 移动机械手的逆运动学及滑模变结构轨迹跟踪控制研究[D]. 梅红. 山东大学. 2009
[6]. 物料搬运机械手的系统分析与仿真[D]. 谷雨明. 东北大学. 2006
[7]. 微钻头上下料机械手的研究[D]. 刘金. 湖南大学. 2009
[8]. 石油井场管柱移运机械臂建模理论与实验研究[D]. 王妍. 东北石油大学. 2013
[9]. 移动机械手协调控制技术的研究[D]. 刘兵. 河北工业大学. 2005
[10]. 五自由度机械手的运动学和动力学分析[D]. 陈雷. 河北工业大学. 2006
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