喷涂机器人逆运动学求解算法与仿真软件

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作者：

杨震

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摘要：

制造业尤其是汽车行业的迅速发展对喷涂机器人的需求越来越强烈,研发具有自主知识产权的国产化喷涂机器人成套装备,已成为我国工业发展的迫切需要。在机器人的设计开发及性能优化中,机器人运动学、动力学分析与仿真是一项基础的工作。具有空心手腕结构的喷涂机器人后三个关节轴偏置,其逆运动学一般不存在封闭解。建立机器人逆运动学有效求解模型,是喷涂机器人开发的基本问题。 本文针对所研制的喷涂机器人,采用连杆坐标系的D-H建模方法,推导了喷涂机器人的运动学模型。采用蒙特卡罗仿真方法,分析了喷涂机器人的工作空间,根据国家标准对工作空间进行了规范表达。推导了喷涂机器人的雅克比矩阵及其行列式,并研究了机器人的灵巧性指标,提出了第二条件数的概念,实现了机器人的奇异性分析。采用牛顿-欧拉递推方法推导了机器人的动力学模型,实现了机器人笛卡尔空间的轨迹规划,分别为直线规划和圆弧规划。 本文重点研究了喷涂机器人逆运动学的求解方法,主要包括迭代法和消元法。通过对奇异位置的特殊处理和阻尼因子的自适应调整,改进了阻尼最小二乘DLS法;在Manocha消元法的基础上,通过矩阵拆分和符号运算预处理等技术,提高了消元法的性能,实现了算法的实时性。逆运动学算法在实际应用中取得了良好的效果。 最后,对机器人的运动学、动力学、轨迹规划等知识进行了整合,根据软件设计的基本思想和技术手段,结合大型仿真软件的功能架构,采用C++为编程语言,MFC搭建软件主框架,开发了机器人仿真软件,为喷涂机器人设计与性能分析提供了一个仿真平台。

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关键词：

喷涂机器人 逆运动学 仿真软件 求解算法