基于移动机械手刚柔耦合多体系统地研究

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1、河北工业大学博士论文基于移动机械手的刚柔耦合多体系统的研究摘要近年来，高速、轻质且能在恶劣环境下作业的的移动机械手的研究倍受瞩目。对于移动机械手而言，其运动学和动力学性能极大地影响着它的工作精度和使用寿命。同时也制约着机械手的控制问题。因此研究它的运动学和动力学性能有着十分重要的现实意义。对于移动机械手这样的多体系统，一般情况下，为了计算、分析简便，人们都对其作刚性处理，实际上操作臂大范围的刚性运动和小范围的弹性变形之间的耦合效应也对系统的性能有较大的影响，所以本文在对机械手系统进行刚性分析的同时，进一步考虑了操作臂的弹性变

2、形，并建立了柔性体机械臂的数学模型，以其更加准确地描述其运动学和动力学特性，避免在实际应用中产生很大的误差。本文的创新成果和主要工作如下：1、分析了移动机械手的硬件体系结构，提出了机械手的工作目标和运动要求。主要有移动载体、五自由度机械手、视觉传感器和超声传感器等。其中包括包括PMAC上运行的运动程序和移动载体PC上运行的主控程序。2、分析了五自由度机械手运动特点，建立了机械手系统的运动学模型，进行了正、逆运动学分析。并且利用蒙特卡罗方法分析了机械手的工作空间，得到了机械手实际应用中的有效工作区域。3、构建了简化的机械手系统

3、结构，利用拉格朗日方程推导了系统的动力学方程，并应用ADAMS对系统进行了仿真,分析了系统的动力学特性，得到了机械手各关节转矩与位姿的关系。4、提出了基于浮动坐标系的物体大范围刚性运动和小范围弹性变形运动的描述方法。弹性体相对于浮动坐标系的离散采用有限单元法和假设模态法的综合。实际上，这是一种混合坐标方法。应用这一原理，把机械手简化处理后得到了相应的运动参数，为进一步的动力学分析打下了基础。5、采用有限元法和假設模态法建立了机械手的柔性动力学模型，并以矩阵、矢量的形式形成简洁的表达形式。此方法对多体系统的动力学分析有重要指导

4、作用，同时该动力学模型便于应用计算机进行数值求解。该动力学模型考虑了机械手的弹性变形（率）对整体系统动力学的影响。指出弹性变形的存在大大降低了系统的精度。这对于机械手的控制是很有帮助的，而且在实验环境中对移动机械手的工况进行了验证。实验结果证明了移动机械手完成相关任务的有效性和可靠性。关键词：移动机械手，多体系统，运动学，动力学，刚柔耦合i基于移动机械手的刚柔耦合多体系统的研究RESEARCHOFMULTI-BODYSYSTEMBASEDONRIGID-FLEXIBLECOUPLINGMOBILEMANIPULATORABS

5、TRACTNowadays,themobilemanipulatorwhichhashigh-speed,light-weightedandthecapabilitytofinishsomeworksinbadenvironmenthasarosedmoreandmoreattentionoftheresearchers,.Forthemobilemanipulator,thecapabilitiesofkinematicsanddynamicsaffectgreatlythetaskprecisionandthelife-

6、span.Atthesametime,itrestrictsthecontrolproblems.So,ithasmoreimportanteffectwhichstudiesthecapabilitiesofthekinematicsanddynamics.Withregardtothemulti-bodysystemsuchasmobilemanipulator,mostreseachersdealitwithrigidsystemforconvenience.But,infact,thecouplinginfluenc

7、ebetweenflexibledeformationandtherigidmotionshasbiginfluence.So,firstly,thethekinematicsanddynamicsfortherigidmobilemanipulatorhasbeenanalyzed.Andthenbasedontheflexibledeformationofthelinks,themathematicsmodelisfoundedwhichcandescribethecharactersofkinematicsanddyn

8、amicsmoreexactly.Thus,theerrorcanbereducedintheapplication.Themaininnovationandcontentareasfollows:1.ThestructureofHebut-IImobilemanipulatorisana