排爆机器人操作臂机械系统设计及工作性能与作业规划研究

摘要

当今时代，世界各国爆炸恐怖袭击事件时有发生，全球和平与发展受到重大威胁。由于恐怖爆炸活动隐蔽突发，爆炸技术手段变化无常，爆炸装置形式多种多样，反恐排爆技术日渐成为了世界难题，排爆装备的研制同样引起了世界各国的高度关注。排爆机器人是一种重要的排爆装备的，可以代替人到不能去或不适宜去、有爆炸等环境中完成危险物排除等工作。目前，排爆机器人已成为机器人领域的重要研究对象。
　　本文结合排爆机器人操作臂的功能要求，提出了一种五自由度操作臂的结构方案，并对操作臂的机械系统进行了详细的设计。设计过程中着重考虑了机构的稳定性与封装性两个因素，使操作臂更加符合产品要求。文中还设计了一种指间角度可调的三指夹持器，并对夹持器进行了详细的介绍与功能描述。
　　基于D-H坐标变换方法，对操作臂进行了运动学分析，建立了操作臂的正运动学与逆运动学方程。针对机构的奇异位形的问题，推导了操作臂的雅克比矩阵，并应用螺旋理论建立了局部雅克比方阵，求得了两种不同类型的奇异位形。
　　针对路径点的便捷化输入问题提出了一种基于X-Y-Z固定角坐标系表示法的路径点表示法。在此基础上，模拟排爆作业任务，通过制定运动过程中的路径点，并运用关节空间规划方法对各个路径段进行轨迹规划，最后得到了关节空间轨迹函数与仿真曲线图。
　　采用拉格朗日法对操作臂进行了动力学的理论分析，基于排爆作业任务规划得到的关节运动规律，通过MATLAB进行动力学仿真运算，获得了关节驱动电机的力矩规律。结合驱动电机的性能参数，对之前规划的关节运动轨迹做了合理性分析。最后进行了基于ADAMS的操作臂动力学虚拟样机仿真，并与理论分析的仿真结果进行了对比，证明了理论分析的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 排爆机器人发展及现状

1．2．1 国外排爆机器人研究及发展现状

1．2．2 国内排爆机器人研究及发展现状

1．2．3 国内外排爆机器人现状对比分析

1．3 排爆机器人系统组成

1．3．1 行走系统

1．3．2 工作系统

1．3．3 控制系统

1．4 排爆机器人关键技术

1．4．1 模块化技术

1．4．2 自主控制技术

1．4．3 操作臂轨迹规划

1．4．4 操作臂动力学分析

1．5 本文研究意义与内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 排爆机器人操作臂机械系统设计

2．1 操作臂设计要求

2．2 操作臂方案设计

2．2．1 操作臂构型设计

2．2．2 操作臂参数设计

2．3 操作臂机构设计

2．3．1 操作臂关节扭矩计算

2．3．2 操作臂电机及减速器选型

2．3．3 操作臂云台及关节设计

2．3．4 操作臂大臂及关节设计

2．3．5 操作臂小臂及关节设计

2．3．6 操作臂腕关节设计

2．3．7 操作臂末端执行器设计及功能描述

2．4 操作臂装配体

2．5 本章小结

第三章 排爆机器人操作臂运动学分析

3．1 操作臂运动学正解

3．1．1 连杆坐标系与变换矩阵建立方法

3．1．2 操作臂坐标系与变换矩阵建立

3．2 操作臂运动学逆解

3．2．1 求关节1的角度值

3．2．2 求关节5的角度值

3．2．3 求关节2的角度值

3．2．4 求关节3的角度值

3．2．5 求关节4的角度值

3．3 操作臂的奇异性

3．3．1 操作臂的雅克比矩阵

3．3．2 操作臂奇异位形分析

3．4 本章小结

第四章 排爆机器人操作臂的轨迹规划

4．1 轨迹规划方法介绍

4．1．1 关节空间规划方法

4．1．2 笛卡尔空间规划方法

4．2 路径点的位姿表示

4．2．1 X-Y-Z固定角坐标系表示法

4．2．2 Z-Y-X欧拉角坐标系表示法

4．2．3 路径点的输入

4．3 排爆任务模拟与轨迹规划仿真

4．3．1 排爆任务制定

4．3．2 作业路径点制定

4．3．3 关节运动轨迹函数的计算

4．4 本章小结

第五章 排爆机器人操作臂的动力学分析

5．1 操作臂动力学模型建立

5．1．1 拉格朗日动力学方程

5．1．2 操作臂的动力学方程

5．1．3 动力学方程参数

5．2 操作臂动力学的理论分析仿真

5．2．1 驱动电机输出扭矩仿真结果

5．2．2 轨迹规划的合理性验证

5．2．3 关节输出扭矩仿真结果

5．3 操作臂动力学的虚拟样机仿真

5．3．1 ADAMS软件介绍

5．3．1 操作臂的虚拟样机模型建立

5．3．2 虚拟样机动力学仿真结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间获得的科研成果