基于5-DOF串联机械手的电雷管辅模运输快速轨迹规划研究

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辅模运输是工业电雷管装配中,借助辅助模具对电引火元件头及电雷管装配成品进行运输的工艺流程。针对当前电雷管装配过程中辅模运输的繁琐性、危险性及装配过程自动化改造的迫切需求,本课题设计了可对电雷管辅模完成抓取和运输任务的串联机械手臂。为提高机械手作业效率、作业可靠性及实用化程度,本文所研究的主要内容及研究思路如下所述:
  (1)辅模运输机械手构型设计。针对电雷管辅模的形状特点及运输的工作要求,设计了一种由气缸驱动,齿轮传动的回转型末端执行器以及5自由度的关节型机械手臂,针对运输任务设计机械手的运动规划并实现辅模运输,并简要说明了机械手关节误差、末端执行器误差来源及相关补偿措施。
  (2)辅模运输的轨迹规划MTFTP模型提出。提出了辅模运输快速轨迹规划(Mold-assistedTransportFastTrajectoryPlanning,简称MTFTP)优化模型,并建立了优化目标的数学描述。以此分析了优化模型中的研究内容,如运动学求解、可达作业空间特征分析。为简化求解过程,提出反变换法结合几何法求解运动学逆解,并由MATLAB仿真验证了运动学模型的正确性。针对带偏置型的机械手结构内未包域难以直观求解的问题,提出蒙特卡洛法及边界分析的几何法分别建立机械手的作业空间模型,准确得到机械手的空间特征,并得到精确的作业空间边界曲面及内未包域空腔形状,结合作业环境分析,验证了设计机械手的工作能力足以满足运输需求。
  (3)考虑关键点位姿特征的MTFTP模型轨迹规划。根据机械手辅模运输过程位姿需求,设定了运输路径上的关键位置点及其特定姿态,在此基础上建立了考虑关键点位姿特征的轨迹规划模型。针对机械手运输作业过程关键位姿间轨迹运动的连续、平滑、稳定及抓取可靠性问题,提出笛卡尔空间直线轨迹结合关节空间五次多项式轨迹的轨迹规划模型。对取放关键点间采取直线轨迹以保证抓取及释放的准确性及可靠性,并使用直线轨迹分段拟合的方法,通过与SolidWorks仿真轨迹对比,验证了该方法的准确性;仿真验证末端姿态始终保持竖直不变,有效保证了整个过程末端夹持辅模的平稳状态。
  (4)MTFTP模型的关节状态约束及运动时间优化。针对机器人作业过程PTP运动轨迹的关节状态约束及运动时间优化的问题,提出了一种基于归一化时间的改进N次多项式轨迹规划算法,将关节运动时间作为关节轨迹的优化评价参数,通过求解最优运动时间解决了关节位置约束问题,仿真实验表明该算法具有较高的控制精度,与第四章轨迹规划方法对比,提高了工作效率,验证了改进算法的优越性。
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