刚柔耦合串联机械臂末端位置误差分析与补偿研究.pdf

摘要 摘要 串联式工业机械臂末端位置精度的高低可作为评价机械臂工作性能好坏的指标 之一，它直接影响机械臂在工业中的生产制造并制约机械臂的进一步发展。因此本课 题针对焊接机械臂由于连杆柔性、关节柔性等非线性变形的综合影响，对刚柔耦合机 械臂的动力学进行相关分析并研究补偿柔性所引起的机械臂末端位置误差的方法，以 提高机械臂末端位置精度。本论文将IRB1410 串联式机械臂作为研究对象，主要研 究工作如下： 首先，建立正逆运动学数学模型。基于旋量理论建立了IRB1410 机械臂的正逆 运动学模型并进行求解计算，利用MATLAB 中的机器人工具箱对机械臂运动学进行 数值仿真，得到关节和末端的轨迹曲线，为验证后续刚体虚拟样机模型奠定基础。 其次，建立机械臂刚柔耦合动力学模型、末端运动误差数学模型及其仿真。基于 假设模态法、第二类拉格朗日法和等效扭簧柔性化关节的方式推导机械臂刚柔耦合动 力学方程，并运用Newmark β 法进行数值仿真，然后利用SolidWorks、ANSYS 以及 ADAMS 软件建立机械臂刚柔耦合虚拟样机模型并进行联合仿真，分析对比两种仿真 情况下机械臂末端动态响应幅值的变化情况，为进行刚柔耦合机械臂末端位置综合误 差的补偿提供基础。 进一步，构建机械臂末端执行器运动误差补偿算法。将仿真时所得的末端轨迹离 散化，设计将BP 神经网络作为误差产生模拟器，并分别基于交叉、变异的自适应粒 子群算法以及伪目标点法计算机械臂关节补偿角度值，以此来减小末端的位置误差， 同时，对比分析了两种方法的优劣。 最后，实验验证。利用经纬仪、机械臂等实验设备搭建测量实验平台，选取若干 组仿真时涉及的各关节转角值，对机械臂末端悬挂重物前后分别进行末端位置点的测 量，获得机械臂末端位置点的误差数据，考虑补偿的实时性，选择伪目标点法对末端 位置误差进行补偿，并验证该法的有效性与可行性。 关键词：IRB1410 串联机械臂，旋量理论，刚柔耦合动力学，位置误差补偿，BP-遗 传-粒子群算法，伪目标点法 Ⅰ 目录 目录 1 绪论1 1.1 课题研究背景1 1.2 课题研究实践意义2 1.3 国内外研究现状3 1.3.1 正逆运动学研究现状3 1.3.2机械臂刚柔耦合动力学研究现状4 1.3.3机械臂动力学仿真及误差补偿研究现状 5 1.4 研究内容及结构安排7 1.5 本章小结8 2 机械臂运动学分析9 2.1 引言9 2.2 焊接机械臂IRB14109 2.3 基于旋量理论的机械臂正逆运动学分析11 2.3.1 刚体运动的位姿描述11 2.3.2 IRB1410 正运动学建模与求解12 2.3.3 IRB1410 逆运动学求解15 2.4 IRB1410 机械臂正逆运动学验证17 2.5 基于MATLB 的IRB1410 机械臂运动学仿真19 2.5.1 MATLAB 仿真模型的建立19 2.5.2 机械臂运动学仿真20 2.6 本章小结 22 3 机械臂刚柔耦合系统动力学及仿真研究23 3.1 引言23 3.2 机械臂刚柔耦合动力学建模23 3.2.1 机械臂简化模型与连杆变形描述23 3.2.2 机械臂动力学方程25 3.2.3 关节微位移误差建模35 3.2.4 机械臂动力学模型数值仿真37 3.3 机械臂刚体建模40 3.4 基于ADAMS 的机械臂刚柔耦合建模及仿真43 3.4.1 柔性杆的建模43 3.4.2 柔性关节建模46 Ⅳ 目录 3.4.3 机械臂刚柔耦合系统仿真47 3.5