基于旋量理論的機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)研究及其應(yīng)用.pdf

1、讓機(jī)器人更為人性化地為人類服務(wù)是人類社會發(fā)展的內(nèi)在動力，而集多項學(xué)科與交叉技術(shù)的機(jī)器人技術(shù)是實現(xiàn)這一偉大理想的橋梁。 機(jī)器人研究的首要問題是建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，經(jīng)典的方法為齊次坐標(biāo)與D-H參數(shù)描述法，該法從廣義坐標(biāo)的角度入手，是一種宏觀的全局的坐標(biāo)描述。然而，欲抓住機(jī)器人“運動”的本質(zhì)屬性，就需要從微觀局部的特性揭示其本質(zhì)，旋量理論及李代數(shù)計算是一種恰當(dāng)?shù)臉?gòu)架。本文正是從旋量理論入手，意在對機(jī)器人“運動”的本質(zhì)屬性加以揭示，是對

2、經(jīng)典方法的有效補(bǔ)充，具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。 首先，應(yīng)用李代數(shù)、旋量理論描述了機(jī)械操作臂的運動學(xué)關(guān)系。利用符號遞推軟件Mathematica進(jìn)行了運動學(xué)關(guān)系算法的實現(xiàn)；隨后基于運動學(xué)關(guān)系，建立了機(jī)械操作臂的雅可比矩陣并進(jìn)行了奇異性分析和仿真，為機(jī)械操作臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 其次，將旋量理論應(yīng)用到了機(jī)械操作臂的動力學(xué)建模過程中。本文全面系統(tǒng)地對動力學(xué)建模的拉格朗日方法、牛頓-歐拉方法及凱恩方法進(jìn)行了分析和比較。這

3、些方法雖然物理上完全等價，但在計算效率上并不等同，其中牛頓-歐拉遞推動力學(xué)建模方法的計算效率最高，計算量為O(n)，與機(jī)械操作臂的自由度數(shù)成正比。而旋量方法更有助于形成遞推的高效動力學(xué)建模，因而將旋量理論融合到這些方法當(dāng)中，推動了遞推算法的發(fā)展。本文進(jìn)一步將串聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模擴(kuò)展到并聯(lián)機(jī)構(gòu)(四桿機(jī)構(gòu))的動力學(xué)建模當(dāng)中。對機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)建模的目的之一是優(yōu)化控制，因此本文在得到動力學(xué)模型之后，進(jìn)一步對機(jī)械操作臂進(jìn)行了基于模型控制的研究，