摘要
随着机器人技术的不断发展，国内外对七自由度冗余机械臂的研究愈来愈深入，推动了协作型机械臂的发展。相比传统机械臂，七自由度冗余机械臂仅多了一个自由度就具备很好的灵活性及容错性，因此冗余机械臂可以在完成期望任务的同时利用其冗余度实现避免关节极限、规避奇异位置、优化力矩等性能指标。 本文主要针对七自由度冗余机械臂的运动学、奇异位形、动力学及轨迹规划问题进行研究，并在计算机软件中构建仿真环境完成算法验证。论文研究内容如下: (1)七自由度冗余机械臂运动学建模及分析。首先，采用D-H法建立机械臂坐标系;然后，采用解析法推导冗余机械臂逆解方程;最后，在MATLAB中搭建虚拟仿真平台验证逆运动学方程推导的正确性。 (2)七自由度冗余机械臂工作空间求解和奇异位形分析。首先，基于蒙特卡洛法在MATLAB中将机械臂工作空间进行可视化，并采用极值算法提取边界;然后，利用雅可比矩阵计算冗余机械臂的所有奇异位形，采用可操作度和条件数两个灵活性指标描述机械臂奇异情况;最后，使用机器人工具箱绘制机械臂奇异位形处末端运动学可操作度椭球。 (3)七自由度冗余机械臂动力学建模及仿真。首先，采用牛顿—欧拉法建立冗余机械臂动力学模型，求取给定的轨迹下各关节所需力矩;然后，基于ADAMS与MATLAB联合仿真检验模型正确性;最后，基于惯性椭球原理，求解并绘制机械臂奇异位形处可视化动力学椭球并进行动力学性能分析。 (4)七自由度冗余机械臂轨迹规划。首先，利用工具箱生成可视化的机械臂模型，利用关节空间的五次多项式插值和笛卡尔空间的直线插补两种方式规划相同两点之间轨迹;然后，采用PID控制器跟踪控制冗余机械臂关节轨迹，得到关节角跟踪轨迹和控制误差曲线;最后，使用MATLAB碰撞检测工具箱对机械臂和环境物体进行碰撞检测，通过非线性控制器控制冗余机械臂生成无碰撞轨迹。
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