线驱动连续型机械臂运动轨迹规划仿真分析

作     者：张广利 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭辰光;富家兴

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：连续型机械臂 线驱动 狭小空间 工作空间 轨迹规划 

摘      要：线驱动连续型机械臂由于其多自由度、大长径比、高灵活度等特性,在灾后救援探测、井下设备检修等领域的深腔和危险环境作业中有重大应用价值。本文设计了一款具有7关节共14个自由度的线驱动超冗余度机械臂,建立运动学模型并仿真分析了机械臂工作空间、开展了其轨迹规划研究,在搭建的实验平台上开展相关实验,实现了空间受限情况下的探测运动。首先,分析并提出了线驱动连续型机械臂的功能需求,根据生物仿生学原理,按照动物脊柱结构特征和运动机理,研制了一款适应井下狭小空间的线驱动冗余连续型机械臂。其次,根据线驱动连续型机械手臂的运动特点,提出了运动学假设。在此基础上,分别对机械臂单关节段、多关节段进行建模,然后分析三种空间的映射关系,也即对机械臂开展正向运动学与逆向运动学分析。然后,利用改进的蒙特卡洛法对机械臂的工作空间进行处理,解决了传统蒙特卡洛法求解策略精度低的问题。改进的蒙特卡洛法将对机械臂工作空间分层,在每一层的空间边界随机点附近进行填充,使得工作空间边界处的随机点分布越来越均匀。为了验证算法的准确性和实用性,以7关节14自由度的线驱动连续型冗余机械臂实验样机为例,进行仿真分析。实验结果表明发现在空间随机点数量相同的前提下,改进后的算法求取的工作空间边界面积与理论面积相比小于1%。最后,对时间最优线驱动连续型机械臂进行研究,提出了一种基于Sa DE-ARM算法的时间最优3-5-3多项式插值轨迹规划算法,解决了线驱动连续型机械臂轨迹规划过程中由于多项式插值造成的结构旋转部件振动或噪声的响应过高,无法根据期望速度提供匀速控制等问题。实验结果表明基于SADE-ARM算法的机械臂3-5-3多项式插值时间最优轨迹规划方法相较于原始设定时间提升了45%。该论文有图46幅,表7个,参考文献68篇。