五自由度串联机械臂运动建模与仿真研究

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1、分类号TP301学校代码10590UDC621密级公开深圳大学硕士学位论文五自由度串联机械臂运动建模与仿真研究学位申请人姓名叶仁平专业名称机械工程学院（系、所）机电与控制工程学院指导教师姓名曾德怀教授深圳大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文五自由度串联机械臂运动建模与仿真研究是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者签名：日期：年月

2、日摘要随着工业4.0新一轮科技革命的到来，工业机器人的应用越来越广泛。对机器人基础理论的研究，有利于改善操作性能和提高工作效率，而运动学、动力学、工作空间、轨迹规划和控制理论是研究工业机器人技术的基础。本文设计了一款具有五自由度的串联机械臂，以此为研究对象，对其进行运动系统分析和仿真。1、运用Solidworks软件，设计了5R串联机械臂三维模型，采用D-H坐标法对其进行运动学建模，讨论了正、逆运动学问题。采用拉格朗日（Lagrange）法进行动力学建模，计算各关节的力矩。通过MATLAB/RoboticsToolbox编程，对机械臂进行运动学和动力学仿真，得到

3、正、逆运动学的计算数值，仿真结果验证了数学建模的正确性。2、对机器人的工作空间问题进行了探讨，重点讨论了工作空间的求解方法，分别就解析法和数值法求解工作空间进行了介绍，利用MATLAB进行机械臂工作空间的仿真，得到了5R机械臂实际工作空间的三维离散点云图形和投影图形。3、研究了机器人在笛卡尔空间的轨迹规划，提出了基于NURBS曲线自适应实时前瞻插补算法，该算法以轮廓误差和法向加速度作为约束条件调节插补速度，用预估-校正法控制插补误差，用S型前瞻加减速法进行速度规划，利用NURBS曲线的对称性来预测减速点的位置，实现了进给速度和加速度的平滑过渡，最后利用MATLA

4、B对该算法编程仿真，仿真结果显示该算法可以较好地完成自由曲线的自适应插补运动。4、为了研究柔性构件对运动精度产生的影响，构建了机械臂的刚-柔耦合模型，通过对比带载条件下的刚性理想模型和刚-柔耦合模型的运动仿真结果，得出柔性构件会对运动精度会产生一定影响的结论，最后对关键柔性构件进行刚度和强度分析，用于辅助优化连杆结构设计。5、研究了利用ADAMS和MATLAB/Simulink进行虚拟样机模型和控制模型的联合建模、仿真的方法。基于计算力矩法,建立了机械臂的动态控制模型，实现了ADAMS中的虚拟样机和MATLAB中搭建的控制系统的联合仿真。单关节控制模型仿真结果显

5、示，该联合仿真系统具有良好的阶跃响应特性和轨迹跟踪特性。关键词：机械臂；运动学；轨迹规划；刚-柔耦合；仿真IAbstractThenewgenerationoftechnologicalrevolution,namely,theeraofIndustry4.0hadbeenarrived,applicationofindustrialrobotwasmoreandmoreextensive.Researchonthebasictheoryofindustrialrobotwouldhelptoimproveoperatingefficienciesandincr

6、easeproductivity.Robotkinematic,dynamics,workspace,trajectoryplanningandcontroltheorywerethebasisofthestudyofindustrialrobots.Thispaperpresentedanoveldesignof5-DOFseriesrobotmanipulator,andtookitastheresearchobject,carriedonthemotionSystemsystemanalysisandsimulation.1.ApplyingSolidwo

7、rkssoftwaretocreatethe3Dmodelwith5-DOFseriesrobotmanipulator,thekinematicmodeloftherobotmanipulatorwasestablishedbyD-Hmethod,theforwardandinversekinematicsproblemwerediscussed.dynamicmodelingderivedbytheLagrangemethod,calculatedthetorqueofeachjoint.Andtherobotmanipulatormodelwassetup

8、bytheRobotic