冗余机械臂基于运动学与动力学的安全工作空间分析

作     者：唐家豪 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高春艳

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：冗余机械臂 运动学逆解 人工势场法 参数辨识 碰撞检测 

摘      要：机械臂在工作空间中运行时应保证其工作的安全性,其中包括机械臂自身运行的安全性和机械臂在与外部交互时的安全性。在对机械臂安全性的研究中,本文从三个主要的方面进行:(1)通过奇异性分析来规避机械臂运行时速度发生畸变的位姿;(2)通过机械臂的逆解与优化确保机械臂各个关节不会达到或者超出限位;(3)通过机械臂动力学分析、碰撞检测和后续的反应策略来确保机械臂在与外部交互时的安全性。通过速度、位置和交互这三方面来保证工作空间中运行的安全性,即可让机械臂在工作空间中安全运行,形成机械臂安全工作空间。针对上述三个方面进行机械臂的运动学模型计算,分析了其正运动学和逆运动学;并针对逆向运动学中的臂型角进行了优化;建立雅可比矩阵,在其基础上,分析了奇异性;计算动力学模型,在模型建立的基础上,进行参数辨识,完成碰撞检测算法,最后通过实验验证了算法的安全性。本文的重点内容和创新性工作,包括:(1)进行机械臂运动学分析,为安全工作空间奠定基础。通过MDH法完成了机械臂数学模型的构建,利用坐标转换计算运动学正解;并提出了一个适合本文七自由度机械臂的运动学逆解简化算法,此方法使得机械臂的逆解计算简洁、精确,最后进行了仿真实验验证算法。(2)进行奇异性分析,优化逆运动学算法,保证机械臂安全运行。根据所建立的数学模型计算雅可比矩阵,并进行机械臂的奇异性分析,对所有出现奇异性的情况进行了分析讨论。针对冗余机械臂的逆解,提出了一种基于人工势场法的改进算法,此算法保证了机械臂在工作空间中进行工作时,关节角度远离其安全限位,从而确保机械臂自身运行的安全性。(3)建立机械臂的动力学方程,提出参数辨识算法,基于动力学进行碰撞检测,最终实现机械臂安全工作。根据牛顿欧拉法建立动力学模型,并在动力学方程中引入摩擦力。采用改进粒子群算法进行机械臂动力学参数辨识得到准确的动力学模型后,将其运用于碰撞检测中,并通过实验进行安全性验证,完善了机械臂工作空间的安全性。