基于移動平臺的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、基于移動平臺的機械臂系統(tǒng)具有靈活度高、適應(yīng)性廣、功耗低等特性，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)難搜救、城市反恐、宇宙空間探索等領(lǐng)域，已成為二十一世紀(jì)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(xué)和動力學(xué)理論研究為基礎(chǔ)，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(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)計指標(biāo)，選擇機械臂構(gòu)型，分析該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的關(guān)節(jié)數(shù)、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動類型，提出設(shè)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(shè)計。以機械臂運動學(xué)理論方法為基礎(chǔ)，在D-H坐標(biāo)系中為機械臂建立數(shù)學(xué)模型，通過采樣分析法對機械臂運動學(xué)正、逆解進(jìn)行驗證，以證明數(shù)學(xué)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(shè)計。運用動能定理等相關(guān)理論分析機械臂結(jié)構(gòu)與其功耗的關(guān)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(guān)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(shè)計的關(guān)系，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法并進(jìn)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(guān)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(jìn)行權(quán)重設(shè)計，提出綜合兩者的優(yōu)化設(shè)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(biāo)對機械臂的連桿尺寸分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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