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串联机器人运动学分析、结构优化设计及仿真研究-----Motoman hp6

串联机器人运动学分析、结构优化设计及仿真研究-----Motoman hp6
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边坡运动学分析

岩土力学与岩土工程学报 沿着Jonk,Rishikesh,India附近的58号高速公路的边坡质量评价及 边坡运动学分析 Tariq Siddique,M.Masroor Alam,M.E.A.Mondal,V.Vishal 关键词:岩体质量评价运动学分析滑坡稳定性分析滑坡的易滑性 摘要:那些位于喜马拉雅山脉中的、连接坐落于偏远的山谷中或山坡上的城镇的道路网,在印度社会经济发展中起着举足轻重的作用。在这种不稳定的地形中对道路和铁路网进行规划,施工甚至维护发展始终是一项具有挑战性的任务,因为这里的地形、地质构造、地层岩性和新构造很复杂。人口和道路建设的不断增加导致了斜坡的失稳,导致了岩体的破环和移动,从而进一步加剧了近期的火山爆发和山洪爆发。边坡易滑性分析是“滑坡灾害评估”和“边坡质量特征”的重要组成部分,指导设计者为道路的结构和其他工程结构预测、选择合适的方法。58号公路中从Rishikesh 到Devprayag段滑坡现象很是常见。对58号公路沿线的Jonk 到Rishikesh段边坡进行了调查,这一段经历了繁重的交通特别是从三月到八月的朝圣期。在边坡岩体质量分级的基础上的调查,表明该地区属于稳定类,并且滑坡敏感性得分值也表明这个地区的边坡不易滑动。我们应该更加关注公路沿线的边坡,以实现更安全和更经济。 1.概况 喜马拉雅造山运动是印度板块和欧亚板块碰撞的结果。该区岩层极度破碎,具有主要的逆冲断层的不连续性,如喜马拉雅正面推力(HFT),主边界断层(MBT)和主中央断层(MCT)。喜马拉雅山脉中的58号公路沿线的滑坡是非常普遍和频繁的自然灾害,并且造成了大量生命和财产的损失。沿着这条公路的边坡失稳了很多次在不同的位置并且变得更易滑动,这都是由于无计划的发展导致的,作为Uttarakhand灾害的见证。众所周知,小喜马拉雅山脉的山坡是不稳定边坡,是由于地貌、降雪、严重和持续的降雨,以及正在进行的新构造活动导致的。最近几年增加的人为活动似乎是一个额外的因素对于喜马拉雅山脉的不稳定边坡。有很多或大或小的山体滑坡发生在不同的地方(Sati等人,2011)。过去几年中在Badarinath 和Rishikesh附近的58号公路为了建造建筑物和进行道路拓宽而进行的无计划开挖和爆破震动降低来人滑坡的稳定性。对Rudraprayag地区的临界边坡进行数值模拟得出其安全系数小于1(Singh等人,2008)。为了更安全的施工和减少边坡的破坏,适当的调查和斜坡特征描述是必需的。边坡特征分析取决于边坡,岩体,气象等相关参数和数据(Pradhan等人,2011,2014;Trivedi 等人,2012)。对58号公路沿线的喜马拉雅山脉中嘉华附近的50个路堑边坡利用边坡岩体质量分级(RMR)和地质强度指标(GSI)分类系统进行稳定性研究来确定其易滑性(Sarkar等人,2012a)。Rishikesh的平均海拔高度是372米(1745英尺)。根据印度Skymet气象部更新最新天气预报,该地区的温度大约是20℃到22℃之间。根据Koppen-Geiger气候分类系统,Rishikesh处在潮湿的亚热带地区。Rishikesh的降雨在不同季节差异明显;最大降水发生从七月九月约490mm,而最小降水量在四月只有10mm。边坡岩体特征是岩土工程研究的必要项目,它的基础是岩石或岩体的不同参数,目的是对不同类型的边坡进行分类和分析其稳定性,从而提出相应的支护措施。所有的内在属性的量化岩体和外部因素作用于斜坡可以用来说明斜坡的现状和预测他们的发展趋势。58号公路是生活在Rishikesh,Devaprayag,Srinagar,Rudraprayag,Gochar,Chamoli 和Joshimath的人们的生命线。据报道,公路沿线的许多滑坡对旅客和朝圣者造成了很多困难。本研究确定了在58号公路沿线的Laxman Jhula和Jonkand Rishikesh附近安全区域和地区的地质灾害的影

管道机器人运动学分析与变径机构仿真

MECHANICAL ENGINEER 机械工程师 管道机器人运动学分析与变径机构仿真 史继新1a,1b,刘芙蓉1a,1b,胡啸2,袁显宝1a,1b,陈保家1a,1b,李响1a,1b (1.三峡大学 a.湖北省水电机械设备设计与维护重点实验室;b.机械与动力学院,湖北宜昌443002;2.中核武汉核电运行技 术股份有限公司,武汉430223) 摘要:基于对核电站压力容器和主管道接管内部检查的需要,研发了一种多履带可变径式管道检查机器人。分析机器人四种不同的运动情况,得出机器人履带轮角速度和机器人在管道内旋转速度及行走线速度的函数,建立了机器人在管道内的运动学模型。针对机器人可变径机构,建立力学模型,得出变径机构中弹簧的理论数据,并运用Inventor运动仿真分析验证了其合理性。 关键词:管道机器人;运动学模型;变径机构;Inventor运动仿真 中图分类号:TP242.3;TH122文献标志码:粤文章编号:员园园圆原圆猿猿猿(圆园员9)04原园014原园3 Kinematics Analysis and Variable Diameter Mechanism Simulation of Pipeline Robot SHI Jixin1a,1b,LIU Furong1a,1b,HU Xiao2,YUAN Xianbao1a,1b,CHEN Baojia1a,1b,LI Xiang1a,1b (1.China Three Gorges University a.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design&Maintenance;b.College of Mechanical and Power Engineering,Yichang443002,China;2.China Nuclear Power Operation Technology Co.,Ltd.,Wuhan430223,China) Abstract院Based on the need for internal inspection of nuclear power plant pressure vessels and main pipelines,a multi-track variable-diameter pipeline inspection robot is developed.The four different motions of the robot are analyzed,and the angular velocity of the robot crawler wheel and the rotation speed of the robot in the pipeline and the traveling linear velocity are obtained.The kinematics model of the robot in the pipeline is established.For the robot variable diameter mechanism,the mechanical model is established,the theoretical data of the spring in the variable diameter mechanism is calculated,and the rationality is verified by Inventor motion simulation analysis. Keywords:pipeline robot;kinematics model;variable diameter mechanism;Inventor motion simulation 0引言 随着核电厂运行时间的增加,各种规格管道内表面可能会出现一些问题需要实施检查与维修。因这些部位处于强辐射区,人员无法直接实施这些工作,必须开发具有行走功能的管道机器人携带摄像头完成核电厂管道检查工作。目前,发达国家对于管道机器人的研究处于领先地位[1]:德国ECA公司研制出一系列管道爬行机器人,在满足多尺寸规格管道的前提下,能搭载多种检测工具,其检查的管道范围从150耀2000mm;日本东京工业大学研制出Thes系列管道机器人[2];韩国汉城汉阳大学研制出双模块协作管道检测机器人[3]。中国在管道检查机器人领域起步较晚,北京德朗检视科技有限公司研发的DNC100、DNC150等管道爬行器,已在核电领域中得到运用;东华大学研制除了自主变位履带足管道机器人[4];上海交通大学针对煤气管道的检测,研制出煤气管道检测机器人样机[5]。 针对目前国内外传统机器人在面对垂直、微小、复杂管时,存在通行性能差、稳定性弱、牵引力不足等缺点。本项目所研制的多履带可变径式管道检查机器人,在机器人的机械结构、移动方式等方面做出改进,能适应150耀160mm管径的管道内部运动,分析了其管道内部运动的运动学模型和变径机构的力学模型,并针对变径机构进行了仿真分析,验证设计的合理性。 1管道检查机器人整体结构设计 为了满足核电厂管道内部检查的需要,机器人必须具备三项基本能力:1)机器人的速度调节能力;2)机器人的转向能力;3) 析, 构设计,如图1 道机器人具有三组履带轮, 很好的夹紧力。 立的电动机控制, 每组履带轮的独立运动, 节不同电动机的转速来使机器人顺利通过弯管。履带轮和主体之间的连杆机构配上弹簧的特性使机器人具有很好的管道适应能力,可以适应150耀160mm管道直径的运动。2运动学分析 机器人每组履带轮的角速度决定机器人整体的运动情况,因此本节根据机器人履带轮角速度和机器人整体运动情况的函数关系建立运动学模型。该模型的坐标系、关节变量和参数如图2所示。XY Z表示全局坐标参考系,并且xyz表示附接到管线检查机器人的中心的局部坐标系;i、j 和k是局部坐标系的单位矢量。无论机器人如何移动,x轴 图1管道机器人 三维模型 1.履带轮组 2.变径机构 3.主体 3 2 1 基金项目:国家自然科学基金(11805112);湖北省教育厅 科学技术研究计划重点项目(D2*******);湖北省水电机械 设备设计与维护重点实验室开放基金项目(2016KJX15、 2017KJX04) 14 圆园员9年第4期网址:https://www.doczj.com/doc/f2273790.html,电邮:hrbengineer@https://www.doczj.com/doc/f2273790.html,

运动学、静力学、动力学概念

运动学、静力学、动力学概念 运动学 运动学是理论力学的一个分支学科,它是运用几何学的方法来研究物体的运动,通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系,则是动力学的研究课题。 用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系,因此,单纯从运动学的观点看,对任何运动的描述都是相对的。这里,运动的相对性是指经典力学范畴内的,即在不同的参照系中时间和空间的量度相同,和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时,时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动,即物体位置的改变;所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。 运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动,才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。 在变形体研究中,须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征,这些都随所选的参考系不同而异;而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为:刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。 运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。 运动学的发展历史 运动学在发展的初期,从属于动力学,随着动力学而发展。古代,人们通过对地面物体和天体运动的观察,逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动,已有了速度的概念。

SCARA机器人的运动学分析

电子科技大学 实验报告 学生姓名: 一、实验室名称:机电一体化实验室 二、实验项目名称:实验三SCARA 学号: 机器人的运动学分析 三、实验原理: 机器人正运动学所研究的内容是:给定机器人各关节的角度,计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘,可得到机器人末端执行器的位姿方程(正运动学方程) 为: n x o x a x p x 0T40T1 11T2 22T3 d3 n y o y a y p y ( 1-5)3T4 4= o z a z p z n z 0001 式 1-5 表示了 SCARA 手臂变换矩阵0 T4,它描述了末端连杆坐标系{4} 相对基坐标系 {0} 的位姿,是机械手运动分析和综合的基础。 式中: n x c1c2c4s1 s2 c4 c1 s2s4s1 c2 s4,n y s1c2 c4c1 s2 c4s1 s2 s4c1c2 s4 n z0 , o x c1c2 s4s1 s2 s4 c1 s2 c4s1c2c4 o y s1c2 s4c1 s2 s4s1 s2 c4c1c2c4 o z0 , a x0 , a y0 , a z1 p x c1 c2 l2s1s2l 2c1l 1, p y s1c2 l 2 c1 s2 l 2 s1l1, p z d3 机器人逆运动学研究的内容是:已知机器人末端的位置和姿态,求机器人对应于这个位置和姿态的全部关节角,以驱动关节上的电机,从而使手部的位姿符合要求。与机器人正运动学分析不同,逆问题的解是复杂的,而且具有多解性。

1)求关节 1: 1 A arctg 1 A 2 l 12 l 22 p x 2 p y 2 arctg p x 式中:A p x 2 ; p y 2l 1 p y 2 2)求关节 2: 2 r cos( 1 ) arctg ) l 1 r sin( 1 式中 : r p x 2 p y 2 ;arctg p x p y 3). 求 关节变 量 d 3 令左右矩阵中的第三行第四个元素(3.4)相等,可得: d 3 p z 4). 求 关节变 量 θ 4 令左右矩阵中的第二行第一个元素(1.1,2.1 )相等,即: sin 1 n x cos 1n y sin 2 cos 4 cos 2 sin 4 由上式可求得: 4 arctg ( sin 1 n x cos 1 n y )2 cos 1 n x sin 1 n y 四、实验目的: 1. 理解 SCARA 机器人运动学的 D-H 坐标系的建立方法; 2. 掌握 SCARA 机器人的运动学方程的建立; 3. 会运用方程求解运动学的正解和反解; ( 1-8) ( 1-9) ( 1-10 )

六自由度机器人运动分析及优化

本 科 毕 业 论 文(设 计) 题目(中文 学学 完 成 日 期 2017 年 3 月

摘要 当今世界,工业化日趋成熟,机器人被广泛的应用于各行各业,最常用到的有四自由度,六自由度机器人。其中,自动化水平较高的汽车制造业和电子装配业经常常常要使用到六自由度机器人。因此对其实施运动学分析,是进行科学设计的基础,也是降低机器人生产成本,优化机器人运动轨迹的前提。此外,运动分析过程有效的模拟了机器人运动的真实情况,有助于提供有效可行的优化方案。本文主要探讨六自由度机器人的运动分析,基于经典运动学以及动力学的研究方法概念,首先通过solidworks做出机械臂各部分零件的三维图,然后通过SolidWorks装配出六自由度机器人机械臂的三维模型。通过该模型,选取其中一个关节和底座,并用SolidWorks进行运动学分析,对六自由度机器人的运动学和动力学计算方法进行了仿真验证。最后得到六自由度机器人的其中一个自由度的运动仿真实例。通过对该运动仿真实例的分析,得出最佳优化方案,优化机器人的运动轨迹提高机器人的工作效率,降低机器人生产成本。 关键词:六自由度机器人;运动分析;运动学;动力学;

目录 摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................... 错误!未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1课题背景及研究的目的和意义 (1) 1.2机器人国内外发展现状及前景展望--------------------------1 2 六自由度机器人运动学分析 (3) 2.1六自由度机器人的结构-------------------------------------1 2.2运动学分析----------------------------------------------1 3 六自由度机器人动力学分析 (5) 3.1综述----------------------------------------------------3 3.2机器人动力学研究方法------------------------------------3 3.2.1几项假设-------------------------------------------3 3.2.2目标-----------------------------------------------4 3.2.3数学工具-------------------------------------------5 3.3动力学原理----------------------------------------------3 3.3.1动量矩定理---------------------------------------------------------------6 3.3.2能量守恒定理--------------------------------------6 3.3.3牛顿—欧拉方程------------------------------------7 3.3.4达朗贝尔原理--------------------------------------8 3.3.5拉格朗日方程--------------------------------------9 4 六自由度机器人运动分析 (8) 4.1运动分析的软件背景---------------------------------------3 4.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型--------------9 4.3运用Solidworks对进行运动学分析-------------------------4 5 结论 (14)

可调式行走机构设计运动学分析和建模

毕业论文_可调式行走机构设计-运动学分析和建模 第一章绪论 1.1 课题的研究背景和意义 近年来,对双足行走运动的研究成为了力学、机械、控制、机器人学、生物学、心理学等学科的热点问题。与大多数四足或六足的动物相比,人类的双足行走运动可以把上肢解放出来,在运动的过程中完成其他的任务,且可以实现在更复杂、更崎岖的环境中运动;同时,人类的双足运动在稳定性的控制上也具有更高的要求。自20 世纪90 年代以来,对双足行走机器人的研究成为了国内外学者关注的一个热点问题。将基于主动控制的双足运动与基于被动行走的双足运动相结合,对于提高双足机器人的运动效率,实现多种运动步态都有十分重要的意义。 世界上第一台的机器人样机制造于1954年的美国,它基本上体现了现代工业应用的机器人的主要特征,虽然它仅仅是一台试验样机,但是为机器人的进一步发展起到很大的推动和指引作用。随后美国的联合控制公司(ConsolidatedControl Company)于1960年研制出了第一台具有真正意义的工业机器人。两年后美国的机床与铸造公司AMF也生产出了另外一种可以进行编程并实际用于工业操作的工业机器人。 20世纪70年代,机器人技术开始向产业化发展,并逐渐发展成为一门专门的有着自己较系统理论的一门学科—机器人学(Robotics),这样就进一步扩大了机器人的应用领域,如图1所示为机器人的各种应用实例。

图1 机器人各种应用领域 随后各种坐标系统、各种结构机器人的相继出现以及计算机辅助设计技术的飞跃发展,使得机器人的性能和结构有了很大的进步,同时成本也在不断下降。20世纪80年代,各种不同结构、不同控制方法以及不同用途的工业机器人在工业比较发达的国家已经进入了真正的实用化普及阶段。随着传感器技术和智能.技术的发展,智能机器人的研究范围也逐渐扩大,机器人的视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等方面的研究大大的提高了机器人的自适应能力,促进了机器人的人性化进程。20世纪90年代,机器人伺服驱动系统迅速发展,这一时期,各种装配的机器人产量增长迅速,与机器人配套使用的装置和视觉技术也得到迅猛发展。 21世纪以来,机器人不仅仅局限于杆件结构,人们开始赋予它新的“肌肉”、“血管”,使其能够更好的比照人类进行运动和“生活”。这时期,机器人的形象更加丰富,感官、知觉等也越来越“人性化”。 近几年,机器人特别是双足机器人产业发展突飞猛进,不管是从专业技术水平上,还是从装备的数量上,都具有集中优势。机器人研究强国日本研发的新型的面向人们日常生活和服务行业的“医疗机器人”、“唱歌机器人”、“服务机器人”等正逐渐进入角色,走进人们的生活,如图2和图3所示。2011年全球组织机器人进行全程马拉松大赛,要求两条腿的机器人完成约42.2公里的奔跑,此次比赛就是为了证实机器人的耐久性和灵活性。

六轴运动机器人运动学求解分析

六轴联动机械臂运动学及动力学求解分析 V0.9版 随着版本的不断更新,旧版本文档中的一些笔误得到了修正,同时文档内容更丰富,仿真程序更完善。 作者朱森光 Email zsgsoft@https://www.doczj.com/doc/f2273790.html, 完成时间 2016-02-28

1引言 笔者研究六轴联动机械臂源于当前的机器人产业热,平时比较关注当前热门产业的发展方向。笔者从事的工作是软件开发,工作内容跟机器人无关,但不妨碍研究机器人运动学及动力学,因为机器人运动学及动力学用到的纯粹是数学和计算机编程知识,学过线性代数和计算机编程技术的人都能研究它。利用业余时间翻阅了机器人运动学相关资料后撰写此文,希望能够起到抛砖引玉的作用引发更多的人发表有关机器人技术的原创性技术文章。本文内容的正确性经过笔者编程仿真验证可以信赖。 2机器建模 既然要研究机器人,那么首先要建立一个机械模型,本文将以典型的六轴联动机器臂为例进行介绍,图2-1为笔者使用3D技术建立的一个简单模型。首先建立一个大地坐标系,一般教科书上都是以大地为XY平面,垂直于大地向上方向为Z轴,本文为了跟教科书上有所区别同时不失一般性,将以水平向右方向为X轴,垂直于大地向上方向为Y轴,背离机器人面向人眼的方向为Z轴,移到电脑屏幕上那就是屏幕水平向右方向为X轴,屏幕竖直向上方向为Y轴,垂直于屏幕向外为Z轴,之所以建立这样不合常规的坐标系是希望能够突破常规的思维定势训练在任意空间建立任意坐标系的能力。 图2-1 图2-1中的机械臂,底部灰色立方体示意机械臂底座,定义为关节1,它能绕图中Y轴旋转;青色长方体示意关节2,它能绕图中的Z1轴旋转;蓝色长方体示意关节3,它能绕图中的Z2轴旋转;绿色长方体示意关节4,它能绕图中的X3轴旋转;深灰色长方体示意关节5,它能绕图中的Z4轴旋转;末端浅灰色机构示意关节6即最终要控制的机械手,机器人代替人的工作就是通过这只手完成的,它能绕图中的X5轴旋转。这儿采用关节这个词可能有点不够精确,先这么意会着理解吧。 3运动学分析 3.1齐次变换矩阵 齐次变换矩阵是机器人技术里最重要的数学分析工具之一,关于齐次变换矩阵的原理很多教科书中已经描述在此不再详述,这里仅针对图2-1的机械臂写出齐次变换矩阵的生成过程。首先定义一些变量符号,关节1绕图中Y轴旋转的角度定义为θ0,当θ0=0时,O1点在OXYZ坐标系内的坐标是(x0,y0,0);关节2绕图中的Z1轴旋转的角度定义为θ1,图中的θ1当前位置值为+90度;定义O1O2两点距离为x1,关节3绕图中的Z2轴旋转的角度定义为θ2,图中的θ2当前位置值为-90度;O2O3两点距离为x2,关节4绕图中的X3轴旋转的角度定义为θ3, 图中的θ3当前位置值为0度;O3O4两点距离为x3,关节5绕图中的Z4轴旋转的角度定义为θ4, 图中的θ4当前位置值为-60度;O4O5两点距离为x4,关节6绕图中的X5轴旋转的角度定义为θ5, 图中的θ5当前位置值为0度。以上定义中角度正负值定义符合右手法则,所有角度定义值均为本关节坐标系相对前一关节坐标系的相对旋转角度值(一些资料上将O4O5两点重合在一起即O4O5两点的距离x4退化为零,本文定义x4大于零使得讨论时更加不失一般性)。符号定义好了,接下来描述齐次变换矩阵。 定义R0为关节1绕Y轴的旋转矩阵 =cosθ0 s0 = sinθ0 //c0 R0 =[c0 0 s0 0 0 1 0 0 0 c0 0 -s0 0 0 0 1] 定义T0为坐标系O1X1Y1Z1相对坐标系OXYZ的平移矩阵 T0=[1 0 0 x0 0 1 0 y0 00 1 0 0 0 0 1] 定义R1为关节2绕Z1轴的旋转矩阵 R1=[c1 –s1 0 0 s1 c1 0 0

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