多自由度串联机器人运动学分析与仿真

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1、多自由度串联机器人运动学分析与仿真王梦2016年1月中图分类号：TH112UDC分类号：621多自由度串联机器人运动学分析与仿真作者姓名王梦学院名称机械与车辆学院指导教师丁洪生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工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月KinematicAnalysisandSimulationofMulti-DOFSerialRobotsCandidateName：MengWangSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.HongshengDingChair,The

2、sisCommittee：Prof.XiaoliWangDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：SchoolofMechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jaunary，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

3、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：摘要本文研究的主要内容为7自由度串联机器人运动学的分析与仿真。在查看大量文献的基础上学习并运用D-H参数法和旋量法分别建立机器人运动学正解的方法。利用D-H参数法计算运动学正解时，首先根据连杆之间的相互关系和关节类型建立D-H坐标系，在此基础上确定各个坐标系的参数并建立坐标转换矩阵，最后把各个坐标转换矩阵相叠加得到该机器人的运动学正解。利用旋量法计算运动学正解时，首先建立基坐标系并确定各个关节轴线的单位向量，再根据连杆的位置找出各个连杆上的点，带入到运动旋量的指数矩阵中，根据机器人的初始位姿建立其末端

4、的初始位姿矩阵，最后把得到的运动旋量的指数矩阵与初始位姿矩阵依次连乘得到该机器人的运动学正解。在得到的两组正解的基础上进行运动学的仿真，以对比D-H参数法和旋量法的异同和各自的优缺点：两者需要建立坐标系的个数不同；一般情况下两种方法建立的基坐标系位置不同；D-H参数法建立初始位置关节转角可能不为零，而旋量法必为零；D-H参数法不能描述相对应的坐标系沿y轴方向的转动和移动；旋量法在后续计算过程中造成的累计误差较小。通过分析得出旋量法在运动学正解计算时具有一定的优势。运动学的逆解分析与仿真部分以旋量法建立的运动学正解为基础，采用位姿分离法与几何法以及最短行程原则相结合的方法，分析计算其运动学逆解

5、。这种算法能够得到第2,3,4,5,6,7个关节的解析解以及第1个关节的数值解，集计算和优化为一体，计算过程也比较简单，效率及精度高。逆解的仿真采用单点仿真和连续点仿真两种方法，其中单点的仿真能够估算该方法的计算精度，连续点仿真证实该方法的连续性。基于运动学的结构参数优化分析部分，首先运用蒙特卡罗法计算得到工作空间点云图，根据工作空间点云图进行分层计算，采用子空间体积的叠加方法得到该机器人工作空间的总体积，然后以工作空间体积为分析基础，在单个连杆长度以及组合连杆长度改变的情况下分析工作空间体积的变化规律，为后续综合各方面因素确定优化方案提供参考。关键词：串联机器人；D-H参数法；旋量法；运动

6、学逆解；工作空间体积IAbstractThemaincontentofthispaperisthe7-DOFserialrobotkinematicsanalysisandsimulation.LearningandusingD-HmethodandScrewtheoryestablishedtheforwardkinematicsofthisrobotonthebasisofviewingalotofliterature.TheprocessoftheD-Hmethodtobuildtheforwardkinematicsisasfollows,firstlyestablishedD-Hc

7、oordinatesystemsandtherelationshipbetweenthejoints,thendeterminedtheparametersofeachcoordinatesystemandestablishedthecoordinatetransformationmatrix,andfinallygettheforwardkinematicsbycontinuallymultiplyingt