可调机构和工业机器人的分析、综合与仿真

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可调机构是现代机构学理论、传感器技术、微电子学、现代控制理论、计算机和信息科学以及人工智能技术等多种学科相互交叉融合的产物。与传统机构相比,可调机构具有一定的柔性且可靠性高、精确度好、容易制造和维修、能量消耗少等特性,这些特性使得可调机构具有广阔的应用前景。 本文以可调球面三自由度并联机构、平面五杆机构、平面七杆机构以及带局部闭链五自由度工业机器人为研究对象,应用Groebner基、遗传算法、并行计算等方法,在位置分析、轨迹综合、动力学解析建模等方面进行了较为深入研究。 基于Groebner基法和计算机符号处理技术对可调球面三自由度并联机构的位置分析进行符号求解。通过对变量排序、建立多项式对的集合、求SP多项式和约简等运算,将非线性方程组化简为等价的三角化方程组,得到封闭形式的解析解。在此基础上,研究调节构件几何参数对欧拉角变化的影响规律,并应用Pro/E软件建立机构动态仿真模型,进行运动学和动力学仿真分析。 针对可调平面五杆机构多任务轨迹综合问题,提出一种基于遗传算法的机构优化综合方法。以机构实际实现轨迹与给定轨迹之间的位置误差最小为目标函数,建立可调五杆机构的多任务优化模型,并采用遗传算法进行优化,得到全局最优解。在进行变异操作时,采用根据个体适应度自适应性调节变异率和变异量的方法,有效提高了进化速度和求解精度。 提出基于并行计算建立可调平面七杆机构动力学解析模型的方法,并研究杆长和惯性参数的变化对驱动力/矩的影响。通过将机构折解为单个构件,并分别建立针对单个构件的子动力学模型,计算相应的驱动力/矩,然后叠加得到机构总的驱动力/矩。并根据其计算特点,构造动力学解析模型的并行算法。由于动力学模型是离线建立的,并采用并行算法,从而大大减少了在线计算量,为机构的实时控制打下了良好基础。提出基于并行计算建立带局部闭链的五自由度工业机器人动力学解析模型的方法。设想将闭式链的某一非主动关节的运动副拆开,其运动关系用约束方程来代替,形成带有附加约束的等效系统,然后基于Kane动力学方程,导出显式形式的动力学方程。并将部分变量处理为符号量,其余变量处理为数字量,从而获得了动力学解析模型中各模型矩阵元素的数字-符号表达式。并根据其动力学解析模型的计算特点构造并行算法,以减少在线计算时间。
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