工业机器人的动力学与控制研究及其可视化仿真

论文摘要

多体系统动力学是一门高度交叉的前沿学科,它是刚体力学、分析力学、弹性力学、矩阵理论、图论、计算数学和自动控制理论等多学科相结合的产物。多体系统动力学的研究之所以受到重视,是由于它对工程领域(机械、车辆、机器人、航空和航天等)的研究能获得重要的实用价值。尽管多体系统动力学算法方法本质上殊途同归,但计算效率却有高下之分。对动力学算法的研究,本文将着重从计算效率考虑,这对于越来越复杂,规模庞大的多体系统具有重大的意义和价值。本文对于动力学算法将采用基于旋量的表示方法,采用递推方式,得到正向和逆向动力学的递推算法。逆向动力学本质上是对机器人操作手的计算扭矩控制。采用牛顿欧拉高效递推算法完成逆向动力学的计算,在控制仿真中将利用这个算法完成基于模型的控制算法,提高控制精度。正向动力学是需要对机器人操作手计算机仿真和实时反馈控制时使用。通过仿真,实现对控制算法、控制策略的设计和比较,以及优化控制参数的功能。基本方法有单位矢量法,AB算法等。多体系统动力学在工业机器人的研究中也有重要作用,在工业机器人的研发设计和控制过程这两个方面涉及到的最多。计算机仿真技术的发展为直观再现复杂机械系统的动力学过程提供了有效手段。并将仿真计算结果以图表和曲线形式表达出来,同时还可以通过三维动画观察仿真结果。本文研究了两种可视化的仿真方法。整个仿真系统将会涉及到机器人机构学、机器人运动学、机器人动力学、机器人零件建模、机器人三维动画和机器人运动控制等诸多问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工业机器人技术及机械多体系统
• 1.1.1 工业机器人的发展及分类
• 1.1.2 机械多体系统的发展及研究现状
• 1.2 动力学仿真在工业机器人系统中的应用发展
• 1.3 本文的研究意义和主要工作
• 第二章 工业机器人的运动学
• 2.1 数学补充知识
• 2.1.1 刚体位姿的确定
• 2.2 运动学问题
• 2.3 运动学求解
• 2.3.1 正向运动学求解
• 2.3.2 逆向运动学求解
• 2.4 运动学编程实现
• 2.5 小结
• 第三章 工业机器人的动力学
• 3.1 机器人的雅可比矩阵
• 3.2 拉格朗日动力学
• 3.3 牛顿-欧拉动力学
• 3.4 牛顿-欧拉反向动力学编程实现
• 3.5 小结
• 第四章 基于旋量的动力学递推算法
• 4.1 单位矢量法介绍
• 4.1.1 求解方法
• 4.1.2 效率分析
• 4.2 ABA 方法的介绍
• 4.2.1 重要概念
• 4.2.2 预备知识
• 4.2.3 推导过程
• 4.3 完整的正向动力学递推过程
• 4.4 基于旋量的牛顿—欧拉递推方法
• 4.5 积分方法
• 4.6 MATLAB 仿真平台介绍
• 4.7 实例分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 工业机器人的控制
• 5.1 工业机器人的控制方法
• 5.1.1 机器人控制的目的
• 5.1.2 机器人控制所采用的基本方法
• 5.1.3 PID 控制
• 5.1.4 计算力矩法:
• 5.1.5 应用工业机器人必须考虑的因素
• 5.2 仿真实例分析
• 5.3 小结
• 第六章 机器人的仿真平台研究
• 6.1 工业机器人仿真平台
• 6.2 工业机器人仿真平台的人机交互界面
• 6.3 工业机器人参数读取与动力学分析
• 6.4 工业机器人的控制策略的设计与三维动画的仿真
• 6.5 工业机器人动力学分析数据的生成、提取和显示
• 6.6 两个可视化仿真平台的关系
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录