Delta机器人运动学建模及仿真

论文摘要

并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了机器人的应用领域。Delta并联机器人是最典型的空间三自由度移动的并联机构,Delta机构整体结构简单、紧凑,驱动部分均布于固定平台,这些特点使它具有良好的运动学和动力学特性,实验条件下末端控制加速度可高达5.0g（?）（重力加速度）。大量的实践证明,Delta机构是迄今为止设计最成功的并联机构之一。目前,Delta并联机器人已经广泛应用于化妆品、食品和药品的包装和电子产品的装配。机器人的运动学是机器人动力学、机器人控制和规划的基础,在机器人研究中占有重要的地位。运动学研究内容包括正向运动学和反向运动学,对于并联机器人,其反向运动学相对简单而正向运动学复杂。本文对三自由度Delta机器人运动学进行了研究。通过对Delta机器人结构的分析,建立了运动学模型,确定了各个构件的空间位姿。基于动平台与静平台之间的矢量关系以及机构的约束方程,建立了该机构的运动学方程,推导出位置反解公式,同时给出了位置正解的数值解法。在位置反解方程的基础上,分析了Delta机器人的工作空间,推导出该机构的雅可比矩阵,并对速度和加速度进行了求解。最后,在运动学反解模型的基础上,利用VC++和OpenGL开发了基于Windows平台的三自由度Delta机器人运动学可视化仿真软件系统。在VC++环境下,调用OpenGL函数库中的图形函数,建立机器人的三维实体模型。根据空间直线和平面圆弧的轨迹规划,调用OpenGL的双缓冲动画、矩阵变换等功能函数,实现了不同参数下Delta机器人的三维动画仿真,将复杂的空间机构运动直观的表现出来。运动仿真平台的建立,对检验Delta并联机器人的运动过程和提高设计效率提供了一个有效的工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人的提出
• 1.2 并联机器人的特点及应用
• 1.2.1 并联机器人的特点
• 1.2.2 并联机器人的应用
• 1.3 并联机器人研究现状
• 1.4 基于VC++6.0的OpenGL
• 1.4.1 Visual C++6.0概述
• 1.4.2 OpenGL概述
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 三自由度DELTA并联机器人位置分析
• 2.1 引言
• 2.2 位置和姿态的表示
• 2.2.1 位置描述
• 2.2.2 姿态的描述
• 2.2.3 位姿描述
• 2.2.4 坐标变换
• 2.3 齐次坐标变换
• 2.4 DELTA并联机器人结构分析
• 2.5 位置反解
• 2.5.1 坐标系建立
• 2.5.2 位置反解分析
• 2.5.3 数值算例
• 2.6 位置正解分析
• 2.7 工作空间分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 DELTA机器人速度和加速度分析
• 3.1 引言
• 3.2 运动分析
• 3.2.1 雅可比矩阵（一阶影响系数）
• 3.2.2 速度分析
• 3.2.3 加速度分析
• 3.3 数值算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 OpenGL及其三维技术
• 4.1 概述
• 4.2 三维几何造型的方法和软件的使用
• 4.2.1 造型技术的发展和选用
• 4.2.2 三维造型软件的选用
• 4.3 OpenGL的工作流程和绘制原理
• 4.3.1 OpenGL的工作流程
• 4.3.2 OpenGL的绘制原理
• 4.4 OpenGL的主要功能
• 4.5 OpenGL库函数
• 4.6 OpenGL变换
• 4.6.1 模型转换
• 4.6.2 投影变换
• 4.7 OpenGL颜色、光照和材质
• 4.7.1 OpenGL颜色
• 4.7.2 OpenGL光照
• 4.7.3 定义材质属性
• 4.8 本章小结
• 第五章 DELTA机器人运动学仿真平台
• 5.1 概述
• 5.2 MFC简介
• 5.2.1 MFC是一个编程框架
• 5.2.2 应用程序的构成
• 5.3 Visual C++编写OpenGL三维程序的基础框架
• 5.3.1 OpenGL工作场景的设置
• 5.3.2 Delta机器人三维模型的建立
• 5.4 仿真平台的实现
• 5.4.1 仿真界面模块
• 5.4.2 位置反解计算模块
• 5.4.3 视图控制模块
• 5.4.4 人机交互界面的实现
• 5.4.5 时间控制函数的选择
• 5.5 轨迹规划
• 5.6 空间直线的仿真
• 5.7 平面圆弧轨迹的仿真
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究小结及创新点
• 6.2 需要进一步解决的问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文