【摘 要】
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机器人技术与机器人产业已经成为社会经济发展的重要支柱。七自由度机械臂由于其灵活、重量轻以及适用场合多样等特点,是机器人未来发展的重要方向。本文以具有球腕结构的七自由度机械臂为对象,研究了七自由度机械臂的运动学解析解、动力学解析解以及控制方法,并通过仿真验证了这些算法的准确性与可行性。研究取得的主要内容有:（1）对七自由度机械臂的构型进行了分类和比较,从中选取了具有球腕关节的构型作为研究对象。通过建
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机器人技术与机器人产业已经成为社会经济发展的重要支柱。七自由度机械臂由于其灵活、重量轻以及适用场合多样等特点,是机器人未来发展的重要方向。本文以具有球腕结构的七自由度机械臂为对象,研究了七自由度机械臂的运动学解析解、动力学解析解以及控制方法,并通过仿真验证了这些算法的准确性与可行性。研究取得的主要内容有:（1）对七自由度机械臂的构型进行了分类和比较,从中选取了具有球腕关节的构型作为研究对象。通过建立D-H坐标系,并利用D-H坐标系的特点及机械臂的几何特性,将七自由度机械臂的臂形角进行了参数化,从而实现了机械臂的运动学解析解;考虑算法的应用情况,研究了算法精度问题,提出了精度计算公式,避免了运动的突变;通过 MATLAB/robotics toolbox 及 ROS（Robot Operation System）,利用其可视化建立机械臂模型,通过预设目标与计算结果的一致性验证了正逆运动学算法的准确性,从机械臂各关节在一条完整轨迹中的工作情况,通过轨迹曲线的流畅性证明了运动的连续性,与ROS中的数值解法进行比较,通过更快的计算速度和更稳定的计算结果验证了算法的优越性。（2）利用旋量理论并结合运动学算法,从球腕构型的特点进行分析,推导由旋量构成的七自由度机械臂雅克比（Jacobian）矩阵,包括七自由度机械臂的整体雅克比矩阵和以各关节为参考系的物体雅克比矩阵,在此基础上建立机械臂各关节的惯性矩阵,以此求出机械臂的动能,并结合运动学算法求出势能,从而构建拉格朗日动力学方程。通过旋量将坐标、矩阵与运动结合起来,解决了七自由度机械臂结构复杂、难以建立并求解动力学方程的问题。随后通过MATLAB的动力学数值计算模块进行数值仿真,仿真结果与理论结果的对比验证了动力学解析解的正确性。（3）综合运动学与动力学模型,利用MATLAB/simulink平台进行仿真控制研究。利用控制过程中力控制空间与位置控制空间正交、互不干涉的特点,在S-Function自定义模块中用运动学算法进行位置控制,用动力学算法进行力矩控制,控制律为PD控制律。为了确定PD控制参数的取值,从机械臂的动力学参数进行推导,初步确定PD控制参数的取值范围。随后应用MATLAB遗传算法工具箱,将控制系统的调整时间作为目标函数从而优化PD控制参数。通过七自由度机械臂系统在运动过程中各关节的误差控制,实现了控制算法的优化。
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