可重构机器人操作柔性负载动力学建模及轨迹规划研究

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1、论文编［中图分类号主ＩＰ２４２６励６０化－．００６４学科分类号密级５１（ｍ）５０．＊陽义涛嗦乂净ＴＩＡＮＪＩＮｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—题点烹柴？繁篇瓷穿？可重构机器人操作柔性负载动力学建模一及轨迹规划研究—－二＇：ｉ：￣Ｍ－ＲｅｓｅａｒｃｈＱｆ化ｅＤｎａｍｉｃｓＭｏｄｔ骑確ａｎｄ７Ｉ祖ｙ｜ｆｅｃｔｏｒＰｌａｎｎｉｎｆｏｒｔｈｅ民ｅｃｏｎｆｉｕｒａｂｋ）ｂｏｔｉＩＩｐ荀ｙｇｇ技巧！‘＾隨１１一２

2、庶一．ＨＬＩｎ１ａｎｄｌｉｎａＦｌｅｘ化ｌｅＰａｌｏａｄｇｙ－由？叩产弁诛．Ｅ脚．ｘｍｍ±Ｈ喊ｔ麗抽机械工程■■■达黑勾月凯■ｅ＾Ｍ＾Ｍ葛为民教授Ｈ＂＇，＾權＾睡品－一天津理工大学研究生院二〇—六年月分类号：TP242.6密级：天津理工大学研究生学位论文可重构机器人操作柔性负载动力学建模及轨迹规划研究（申请工程硕士学位）工程领域：机械工程作者姓名：勾月凯指导教师：葛为民教授2016年1月ThesisSubmittedtoTianjinUnivers

3、ityofTechnologyfortheMaster’sDegreeResearchoftheDynamicsModellingandTrajectoryPlanningfortheReconfigurableRobotHandlingaFlexiblePayloadByGouYuekaiSupervisorGeWeiminJanuary2016巧荷巧若巧本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取，得的研究成果，除了文中特别加换标注和致谢么处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的

4、研究成果，也不包含为获得义津理工大学或其他教一育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学化冷文作者签乂３签李日期；Ｍ年３月可＞１抑］Ｉ学化冷文狀权使巧援权书本学位论文作者完全了解义津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可１＾将学位论文的全部或部分内容编入有关数据、库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编，供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复本和电子文件。

5、（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）心学位冷文作者签名：／；與导评签］！勺签学口瑚如年月口签＃口期：如／４年３月／日／Ｌ乏ｆ摘要在现代制造业中，机器人得到越来越广泛的应用。随着制造业自动化进程的加快，机器人需要有更加灵活的工作方式以及更好的任务适应能力。传统机器人的构型在设计完成后就已经固定，只能被应用到其目标工作任务或相近的其他任务中，灵活性较差。但根据不同的工作需要去设计专门的机器人系统，不仅增加了生产成本，而且开发周期较长，不能满足工作环境快速变化的需求。因此为了克服传统机器人的这

6、些限制条件，可重构模块化机器人应运而生，并且被快速应用到工业制造领域中。航空航天、汽车制造等领域中有很多需要机器人去操作柔性材料的场景，在机器人操作柔性负载的运动过程中，负载难免会发生振动，这大大降低了机器人对柔性负载的操作精度。本文以此为研究背景，开展了可重构机器人操作柔性负载的动力学建模工作，并在此基础上进行了机器人轨迹规划振动抑制研究。机器人操作柔性负载是一个非线性、强耦合的复杂系统，而可重构机器人操作柔性负载建模不仅具有传统机器人操作柔性负载系统建模的难点，还需要考虑机器人构型变化对模型的影响。本文首先

7、提出了一种层序列数组并利用它对可重构机器人的构型进行数学描述，结合指数积公式实现可重构机器人运动学的自动生成；其次，采用变形旋量和模态坐标相结合的方式描述柔性负载的变形，得到负载上任意一点与其固定坐标的变换关系；最后，通过机器人末端夹具与柔性负载之间的关系确定负载上任意点在参考坐标系中的位置和速度。可重构机器人操作柔性负载动力学建模是研究负载振动的基础。本文利用拉格朗日方程建立可重构机器人操作柔性负载系统的动力学方程。文章首先在运动学的基础上研究了机器人系统的动能和势能，并将其带入到拉格朗日方程，得到机器人的动

8、力学模型；其次，对柔性负载进行分析，求出其在参考坐标系中的动能和势能，并推导出其动力学方程；最后，利用机器人末端夹具与柔性负载之间的作用力关系建立整个系统的动力学模型。针对机器人在操作柔性负载运动过程中会产生振动，影响末端操作精度的问题，本文提出了基于粒子群算法的轨迹规划方法抑制负载末端振动。首先建立了负载振动的模态坐标与机器人的关节变量之间的关系式；其次，利用分段多项式插值方法对关节