绳驱蛇形机器人轨迹规划与控制
发布时间：2022-12-23 22:34
绳驱蛇形机器人是一种连续型机器人,其作为一种典型的仿生机器人具有良好的环境适应能力,可以在非结构化环境和狭小空间内灵活运动,采用绳索驱动可以将驱动装置和控制器置于机器人本体之外,这种方式可以有效减小机器人工作段的体积重量,使得结构紧凑,也可以保证机器人在复杂,恶劣环境下工作的可靠性。目前绳驱蛇形机器人被广泛用于灾难救援、太空探测、狭小空间内维修组装等领域。本文首先设计了一款具有16个自由度的绳驱蛇形机器人,该机器人具有8个锥节,采用24根绳索进行驱动,驱动系统采用直线导轨机构。确定结构之后,通过PROE计算机器人各部件的质量特性和位置信息,在MBdyn中进行仿真参数设定和建模。在结构设计的基础上,利用传统DH法对机器人建立杆件坐标系,并对其进行了正逆运动学分析,包括驱动空间到关节空间的运动学分析以及关节空间到操作空间的运动学分析,随后基于蒙特卡洛法求解了机器人的工作空间。在运动学分析基础上,本文建立了机械臂系统描述方法,根据等效力旋量和虚功原理对系统进行动力学分析,建立了一种绳索力到关节力矩的雅可比矩阵求解算法。在此基础上搭建了绳驱蛇形机器人的控制模型,控制率采用计算力矩法,采用二次规...
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.2 研究现状及分析
1.2.1 绳驱连续型机器人国内外研究现状
1.2.2 绳驱连续型机器人运动控制与路径规划国内外研究现状
1.2.3 关键技术分析
1.3 论文主要内容
第2章 绳驱蛇形机器人结构设计与建模
2.1 引言
2.2 绳驱蛇形机器人结构设计
2.2.1 机械臂构型设计
2.2.2 驱动系统设计
2.3 仿真参数设定及机器人建模
2.4 本章小结
第3章 绳驱蛇形机器人运动学分析与工作空间求解
3.1 引言
3.2 绳驱蛇形机器人运动学分析
3.2.1 机器人坐标系定义
3.2.2 锥节运动学分析
3.2.3 机械臂运动学分析
3.3 绳驱蛇形机器人工作空间求解
3.3.1 基于传统蒙特卡洛法的工作空间求解
3.3.2 基于Beta分布的蒙特卡洛法工作空间求解
3.4 本章小结
第4章 绳驱蛇形机器人动力学与控制
4.1 引言
4.2 绳驱蛇形机器人动力学分析
4.2.1 机械臂系统描述
4.2.2 虚功原理和等效力旋量
4.2.3 雅可比矩阵求解原理
4.3 绳驱蛇形机器人控制模型
4.3.1 控制率设计
4.3.2 绳索力优化
4.3.3 控制模型
4.4 绳驱蛇形机器人典型运动控制
4.4.1 大范围运动控制
4.4.2 末端画圆运动控制
4.5 本章小结
第5章 绳驱蛇形机器人轨迹跟随控制与避障轨迹规划
5.1 引言
5.2 连续路径曲线下的轨迹跟随算法
5.2.1 路径曲线生成
5.2.2 位置及关节角度求解
5.2.3 基于最小二乘法的数值求解
5.3 绳驱蛇形机器人轨迹跟随运动控制
5.3.1 平面正弦轨迹跟随
5.3.2 空间螺旋轨迹跟随
5.4 基于人工势场法的避障轨迹规划
5.4.1 基于包围球的碰撞检测
5.4.2 机器人搜索空间
5.4.3 改进势函数
5.4.4 局部最小点
5.4.5 人工势场避障轨迹规划算法流程
5.5 绳驱蛇形机器人避障运动控制
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及申请专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进人工势场法的冗余机械臂避障算法[J]. 曹博,毕树生,郑晶翔,杨东升,黄国威. 哈尔滨工业大学学报. 2019(07)
[2]RRT与人工势场法结合的机械臂避障规划[J]. 何兆楚,何元烈,曾碧. 工业工程. 2017(02)
[3]蛇形臂机器人装配系统研究[J]. 姚艳彬,杜兆才,魏志强. 航空制造技术. 2015(21)
[4]蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真[J]. 魏志强,袁伟. 航空制造技术. 2014(21)
[5]改进人工势场法的机械臂避障路径规划[J]. 王俊龙,张国良,羊帆,敬斌. 计算机工程与应用. 2013(21)
[6]基于伪逆的冗余机械臂运动控制的优化方案[J]. 廖柏林,梁平元,杨喜. 信息与控制. 2013(05)
[7]基于人工势场法的路径规划方法研究及展望[J]. 张殿富,刘福. 计算机工程与科学. 2013(06)
[8]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[9]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[10]闭合B样条曲线控制点的快速求解算法及应用[J]. 任菲,王家润,仇建伟,聂芸. 计算机工程与设计. 2011(04)
博士论文
[1]半自主式结肠内窥镜机器人系统研究[D]. 胡海燕.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]空间连续型机械臂设计与运动学仿真[D]. 韦贵炜.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
[2]线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究[D]. 赵智远.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
[3]冗余机械臂动态避障规划[D]. 谢龙.浙江大学 2018
[4]冗余自由度机器人的路径规划研究[D]. 胡静.东南大学 2017
[5]线驱动柔性充电机器人系统的设计与控制研究[D]. 王浩淼.哈尔滨工业大学 2017
[6]绳驱连续型冗余自由度机器人控制研究[D]. 谷海宇.哈尔滨工业大学 2017
[7]万向节式连续型飞机油箱检查机器人结构设计与操控方法研究[D]. 王瑾琨.中国民航大学 2017
[8]绳驱动超冗余度机械臂设计与运动规划技术研究[D]. 王俊刚.上海交通大学 2017
[9]面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究[D]. 刘天亮.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3725539
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.2 研究现状及分析
1.2.1 绳驱连续型机器人国内外研究现状
1.2.2 绳驱连续型机器人运动控制与路径规划国内外研究现状
1.2.3 关键技术分析
1.3 论文主要内容
第2章 绳驱蛇形机器人结构设计与建模
2.1 引言
2.2 绳驱蛇形机器人结构设计
2.2.1 机械臂构型设计
2.2.2 驱动系统设计
2.3 仿真参数设定及机器人建模
2.4 本章小结
第3章 绳驱蛇形机器人运动学分析与工作空间求解
3.1 引言
3.2 绳驱蛇形机器人运动学分析
3.2.1 机器人坐标系定义
3.2.2 锥节运动学分析
3.2.3 机械臂运动学分析
3.3 绳驱蛇形机器人工作空间求解
3.3.1 基于传统蒙特卡洛法的工作空间求解
3.3.2 基于Beta分布的蒙特卡洛法工作空间求解
3.4 本章小结
第4章 绳驱蛇形机器人动力学与控制
4.1 引言
4.2 绳驱蛇形机器人动力学分析
4.2.1 机械臂系统描述
4.2.2 虚功原理和等效力旋量
4.2.3 雅可比矩阵求解原理
4.3 绳驱蛇形机器人控制模型
4.3.1 控制率设计
4.3.2 绳索力优化
4.3.3 控制模型
4.4 绳驱蛇形机器人典型运动控制
4.4.1 大范围运动控制
4.4.2 末端画圆运动控制
4.5 本章小结
第5章 绳驱蛇形机器人轨迹跟随控制与避障轨迹规划
5.1 引言
5.2 连续路径曲线下的轨迹跟随算法
5.2.1 路径曲线生成
5.2.2 位置及关节角度求解
5.2.3 基于最小二乘法的数值求解
5.3 绳驱蛇形机器人轨迹跟随运动控制
5.3.1 平面正弦轨迹跟随
5.3.2 空间螺旋轨迹跟随
5.4 基于人工势场法的避障轨迹规划
5.4.1 基于包围球的碰撞检测
5.4.2 机器人搜索空间
5.4.3 改进势函数
5.4.4 局部最小点
5.4.5 人工势场避障轨迹规划算法流程
5.5 绳驱蛇形机器人避障运动控制
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及申请专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进人工势场法的冗余机械臂避障算法[J]. 曹博,毕树生,郑晶翔,杨东升,黄国威. 哈尔滨工业大学学报. 2019(07)
[2]RRT与人工势场法结合的机械臂避障规划[J]. 何兆楚,何元烈,曾碧. 工业工程. 2017(02)
[3]蛇形臂机器人装配系统研究[J]. 姚艳彬,杜兆才,魏志强. 航空制造技术. 2015(21)
[4]蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真[J]. 魏志强,袁伟. 航空制造技术. 2014(21)
[5]改进人工势场法的机械臂避障路径规划[J]. 王俊龙,张国良,羊帆,敬斌. 计算机工程与应用. 2013(21)
[6]基于伪逆的冗余机械臂运动控制的优化方案[J]. 廖柏林,梁平元,杨喜. 信息与控制. 2013(05)
[7]基于人工势场法的路径规划方法研究及展望[J]. 张殿富,刘福. 计算机工程与科学. 2013(06)
[8]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[9]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[10]闭合B样条曲线控制点的快速求解算法及应用[J]. 任菲,王家润,仇建伟,聂芸. 计算机工程与设计. 2011(04)
博士论文
[1]半自主式结肠内窥镜机器人系统研究[D]. 胡海燕.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]空间连续型机械臂设计与运动学仿真[D]. 韦贵炜.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
[2]线驱动连续型机械臂运动学与运动规划研究[D]. 赵智远.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
[3]冗余机械臂动态避障规划[D]. 谢龙.浙江大学 2018
[4]冗余自由度机器人的路径规划研究[D]. 胡静.东南大学 2017
[5]线驱动柔性充电机器人系统的设计与控制研究[D]. 王浩淼.哈尔滨工业大学 2017
[6]绳驱连续型冗余自由度机器人控制研究[D]. 谷海宇.哈尔滨工业大学 2017
[7]万向节式连续型飞机油箱检查机器人结构设计与操控方法研究[D]. 王瑾琨.中国民航大学 2017
[8]绳驱动超冗余度机械臂设计与运动规划技术研究[D]. 王俊刚.上海交通大学 2017
[9]面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究[D]. 刘天亮.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3725539
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