关节型模块化机器人的设计与实验研究

本文以国家“863”计划支持项目“机器人模块化体系结构设计”（编号2007AA041703）为依托，针对模块化机器人研究的难点和热点问题，在广泛调研模块化机器人国内外研究现状的基础上，研究开发了一套关节型模块化机器人样机。本文主要包括以下四方面的工作：1 模块库的建立及拓扑构型研究；2 运动学的研究；3 模块结构设计；4 实验研究。具体工作如下： 分析了模块化与重构性两个概念的区别与联系，在分析一般机电产品的库设计的基础上阐述了面向功能的模块化机器人模块划分原则。在此基础上，建立了含有五种单元模块的模块库，并对其可实现构型进行了拓扑分析。最后，从拓扑构型分析结果中挑选出了20种代表性构型，为基于任务的构型选择奠定了基础。 对关节型模块化机器人的运动学进行了研究，提出了一种新的坐标系建立方法，建立了各模块的运动学变换矩阵，采用运动旋量的指数积公式实现了正运动学分析的模块化，并推导出正运动学公式。对于逆运动学问题，根据推导出的正运动方程和微分运动学公式建立了逆运动学数学模型，并用牛顿—拉夫逊迭代法得出逆运动学迭代公式。 分析了一个六自由度关节型机器人的危险工况，从而确定了机器人运动时各关节所需的最大功率。以此为基础，确定了三种不同功率的旋转模块Rl、Rm、Rs和一个移动模块Tl，并根据功率的计算结果为各模块进行了电机和减速器等器件的选型。最后，以旋转模块Rl为例详细介绍了模块的结构设计过程。 通过软件平台的搭建，对前面章节的拓扑构型的实现及运动学算法进行了仿真验证。通过该软件平台，可以任意选择第二章分析出的拓扑构型，并可以自动生成运动学正解。后以一个六自由度构型为例进行了轨迹规划，验证了软件平台的构型选择，运动学正逆解算法等功能。该仿真中使用的插补算法，既能保证末端执行器的期望路径，又可以实现关节角的平滑过渡。