串联机械臂柔性多体动力学性能研究

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1、串联机械臂柔性多体动力学性能研究刘宇佳2016年01月中图分类号：TH112UDC分类号：621串联机械臂柔性多体动力学性能研究作者姓名刘宇佳学院名称机械与车辆学院指导教师付铁副教授答辩委员会主席王晓力教授申请学位工学硕士学科专业机械设计及理论学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年01月ResearchonFlexibleMultibodyDynamicPropertiesofSerialRoboticManipulatorsCandidateName：YujiaLiuSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMento

2、r:ViceProf.TieFuChair,ThesisCommittee：Prof.XiaoliWangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalDesignandTheoryDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它

3、教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要串联机械臂（SerialManipulator）结构简单，控制方便、安装和维护成本低廉等优点，目前已经成为工业应用最广泛的机械结构。本文以一类自主研发的七自由度串联机械臂（7DOFSerialManipulator，简称7DSM）为研究对象。从多体动力学角度，对机械臂性能进行系统研究，为机械臂性能分析提供必要的理论依据，对深入研究此类机器人具有重要指导意义。论文的研究内容主要包括以下几个方面：1、设计一种七

4、自由度串联机械臂，其结构特点是具有3-1-3自由度分布，大臂偏置，相邻轴线垂直正交。2、针对了传统D-H法存在的建模不灵活的问题，提出一种改进的D-H法。并应用在该机械臂的建模过程中，保持了手腕关节坐标完整性，克服传统的D-H法建模的局限性。应用于7DSM机械臂系统，论证了改进的D-H法有效性。3、合关节变量逐点搜索法与MonteCarlo法，提出基于MonteCarlo法的概率插值方法，求解工作空间形状。并论证了该方法在求解偏置多自由度机构工作空间的优越性。4、基于Lagrange法建立多体动力学模型，综合考虑臂杆和关节柔性，建立串联机械臂的多体动力学模型，在指数映射的理论基础

5、上，推导了用李群理论表示的Lagrange方程。5、为了进一步降低求解难度，采用多层多级子结构法对模型做进一步简化，采用Lancozos算法，求解子结构特征值。研究了不同空心系数和位姿对系统固有频率的影响。6、采用Matlab、Ansys、Adams多环境，对刚柔耦合模型进行联合仿真，分析了臂杆柔性和关节柔性对系统的固有频率和动力学性能产生影响。关键词：柔性机械臂；改进D-H法；工作空间；多体动力学；模态综合-I-北京理工大学硕士学位论文AbstractSerialmanipulatoroccupiedtheadvantageofsimplestructure,convientc

6、ontrolstrategy,andlowcostofrepairingandmaintenance,anditturnstobeoneofthemostwildlyusedstructureinindustryapplication.Thispaperstudiedthe7-DOFSerialManipulator(7DSM)developedbyourowneffort.Fromtheviewofmultibodydynamic,andthesystematicresearchaboutthisstructurewascarriedon.Alltheresultprovide

7、dnessenseryevidenceforthepropertyanalysisofthisserialmanipulator,andgivesanimportantinstructionforthefurtherreaserchofthiskindofrobot.Themaincontentofthispaperisshownasbelow.1.Designa7DOFserialmanipulator,thecharacteristicofthisstructureis3-1